某内燃动力包柴油发电机组双层隔振系统设计及评价分析初探

陈行，张立民，李开程，于海然

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)*

某内燃动力包柴油发电机组双层隔振系统设计及评价分析初探

陈行，张立民，李开程，于海然

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)*

对某内燃动力包柴油发电机组双层隔振系统进行了研究分析.根据边界条件、约束条件及变量等因素，确定了双层隔振系统隔振器的刚度分组及隔振器的三向刚度比例关系，得到了双层隔振系统隔振器的刚度结果.根据此刚度计算出了机组及框架的振动烈度和动反力，结果表明系统的隔振性能较好，能满足工程要求.由于隔振器生产工艺误差，在原始刚度基础上进行了±15%的误差分析.从传递率曲线上可知，系统在各刚度方案工况下有效避开了41 Hz以上的倾倒力矩简谐成分，同时也避开了柴油机额定转速频率激励成分，系统不发生共振，此刚度设计合理.

动力包；双层隔振；刚度设计；共振

0 引言

柴油发电机大部分为往复式内燃机，由于活塞连杆机构的往复运动以及输出扭矩时形成的脉冲反作用力,柴油发电机本身就是一个固有的振动源[1].柴油发电机是内燃动车上的主要动力源设备，在运行状态下，柴油发电机也是列车的主要振动来源.柴油发电机工作产生的振动会通过与车体之间的连接装置传递到车体，影响车体的乘坐舒适性和运行安全.为了减小柴油发电机组振动对车体的影响，需要通过隔振器来连接机组和车体，以衰减传递到车体上的振动能量和幅值.柴油发电机组设备直接或间接的吊挂在车体底架上，由于柴油发电机组本身就是激励源，当激励频率与车体局部或车下设备吊挂频率相等的时候会引起共振[2-3].因此对于双层隔振系统的隔振参数选择不当，就容易使车下设备与车体产生耦合共振[4-5].

本文通过对双层隔振系统动刚度计算分析，得出了双层隔振系统的一、二级隔振器的三向刚度值，计算出在主要激振力方向的传递率，分析系统在主要激振力方向是否引起共振，同时得到了在此刚度下系统的振动烈度值和动反力，由于生产工艺误差，并分析了在误差情况下系统是否产生共振.

1 柴油发电机组模型及隔振设计理论基础

1.1 柴油发电机组模型及物理参数

内燃动力包的三维结构如图1所示.柴油发电机组、消声器、空滤器以及各部件之间的连接管路集成在框架上，框架通过隔振器吊挂在车体底架上.柴油发电机机组是机组总成中的主要激振源，机组与框架通过5个锥形橡胶一级隔振器相连，在垂向主要受压缩变形，而在横向和纵向主要受剪切变形，一级隔振器编号为1-1～1-4；二级隔振器由4个V型隔振器组成，在垂向和纵向同时受压缩和剪切，而在横向只受剪切，其刚度的垂纵比和垂横比都较好调节，二级隔振器编号为2-1～2-4，如图2所示.柴油发电机组隔振器位置参数如表1所示.柴油发电机组物理参数如表2所示.

图1 动力包三维结构图

图2 柴油发电机组隔振器安装示意图

mm

表2 柴油发电机组物理参数表

1.2 理论基础

一般双层隔振系统的振动可用下列方程描述[4]:

(1)

式中,质量、阻尼和刚度矩阵均为12阶方阵，与之对应的加速度、速度和位移量也是12维的，形式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,ωl为机组各阶扰动圆频率(l=1,2,…,m)；Ωl为机组第l阶扰动力相位角；Fl为机组第l阶扰动力幅值矢量；{Fl}=[Fxl,Fyl,Fzl,Fαl,Fβl,Fγl,0,0,0,0,0].Fxl,Fyl,Fzl分别为作用在机组重心处沿参考坐标系ox,oy,oz的第l阶扰动力的幅值；Fαl,Fβl,Fγl分别为作用在机组上使机组绕参考坐标系ox,oy,oz转动的第l阶扰动力矩的幅值.

2 双层隔振系统刚度设计分析

对隔振器刚度设计，需要做到隔振效率与系统稳定性间的平衡，首先要确定边界条件、约束条件及变量等要素.通过支撑处的动反力、机组振动烈度、激振力方向的力传递率来评价刚度设计是否合理.根据系统的稳定性及隔振器的负载能力，确定隔振器垂向刚度限值，为了满足隔振系统的静平衡和解耦要求，对各级隔振器按刚度进行分组，确定各组隔振器刚度间的函数关系及3向刚度比例关系.同时机组的模态固有频率要避开激励频率，避免相互之间发生耦合共振.

2.1 一级隔振器刚度设计分析

通过对柴油发电机组隔振器安装位置的分析，隔振器安装位置相对3个惯性轴都不对称，且1-1隔振器与其他隔振在z向高度不同.如果各隔振器选用相同刚度，6个自由度的振动模态严重耦合，各方向振动相互影响，恶化隔振性能.因此，需通过隔振器刚度的合理匹配，降低6个自由度的振动模态耦合和相互影响.在此，将一级隔振器分为3组，由于1-1隔振器与其他隔振器垂向高度不一致将其单独分为一组，1-2与1-3分为一组，1-4与1-5分为一组.

通过计算分析，在隔振器安装位置相对惯性轴不对称的情况下，设法做到相对惯性轴隔振器弹性力对称布置.根据一级隔振器相对柴油发电机质心得位置，柴油发电机组的质心位置如图3所示，计算得出三组隔振器垂向刚度需满足：

(7)

图3 一级隔振相对柴油发电机组质心位置

按照拟选隔振器类型的刚度范围、安装限制和隔振需要，机组z向频率控制在8Hz附近，这样才能保证机组的稳定，隔振器6mm左右静变形量也能满足安装要求.根据机组总质量，隔振器的z向总刚度下限应为ksum=6 500 N/mm左右，即三组隔振器垂向刚度满足如下边界条件：

(8)

隔振器3向刚度中，为降低主要激励(倾倒力矩)方向(α方向，绕x轴)的模态频率和耦合度，在隔振器z向刚度一定的情况下，应在y向选较小的刚度；而在x方向(列车运行方向)，为提高柴油发电机组的稳定性，同时考虑到该方向没有重要激振力作用，应选较大的刚度.参考该类隔振器3向刚度特性，一级隔振器三向刚度比例的初值选为纵(x)∶横(y)∶垂(z)=1.67∶0.8∶1.0.

2.2 二级隔振器刚度设计分析

同理，可确定二级隔振器刚度设计的边界条件和约束条件.二级隔振器的安装位置相对框架质心沿3个惯性轴都不完全对称，但相对x轴对称较好，相对y轴对称较差.为提高解耦度、保持机组静平衡和方便对隔振系统进行生产和维护，框架隔振器在y轴两侧分为2组，隔振器2-1和2-4刚度相等，做到y轴弹性力对称，根据二级隔振器相对机组总成质心得位置，计算得出柴油机一侧二级隔振器(2-1和2-2)与另一侧二级隔振器(2-2和2-3)刚度比值为0.59∶1.

考虑隔振器在负荷下的变形量和系统稳定，按照公共框架的质量和机组的质量比，选择最佳垂向刚度，参考二级隔振器3向刚度特性，隔振器的垂向总刚度下限应为11 500N/mm左右.隔振器3向刚度中， 为降低主要激励(倾倒力矩)方向

表3 隔振器刚度设计结果 N/mm

(α方向，绕x轴)的模态频率和耦合度，并兼顾动力包在主要激振力方向的稳定性，在隔振器z向刚度一定的情况下，y向选较小的刚度；在x方向选较大的刚度.参考该类隔振器3向刚度特性，二级隔振器三向刚度比例初值选为纵(x)∶横(y)∶垂(z)=1.25∶0.25∶1.0.根据以上分析，隔振器刚度设计结果如表3.

3 隔振系统特性分析

3.1 动力包模态固有频率分析

为了提高模型的计算精度，将动力包进行离散化处理，利用ANSYS进行仿真计算，将柴油机和发电机视为刚体，其质心处质量单元为Mass21，一级隔振器用Combin14单元模拟其刚度和阻尼.框架用壳单元进行模拟，用Shell163对其网格划分.二级隔振器的安装位置采用板材焊接来模拟实际焊接，二级隔振器参数设置与一级隔振器相似.一级、二级隔振器的阻尼比为0.15, 根据表3的刚度结果对系统进行模态频率计算.通过计算，内燃动力包的固有频率如表4所示.

表4 动力包固有频率

3.2 结果评价分析

为了对此隔振系统的隔振特性进行分析，验证机组与构架之间是否产生共振，根据表3的刚度结果对系统进行强迫振动分析.柴油机的转速为820～1 800 r/min，对应激振力的频率为13.7～30 Hz，对于5次谐振对应的频率为150 Hz，因此，笔者的分析频率为0～150 Hz.

分析柴油发电机组在怠速工况下隔振系统力传递率，判断系统是否避开了柴油机的转速频率以及其它谐次激励频率.由于隔振器生产误差，因此对隔振器的刚度进行±15%的误差分析：刚度方案1：一级隔振器刚度全部增加15%，二级隔振器刚度全部增加15%；刚度方案2：一级隔振器刚度全部减小15%，二级隔振器刚度全部减小15%；刚度方案3：一级隔振器刚度不变，二级1,4号隔振器刚度增加15%，2,3号隔振器刚度减小15%；刚度方案4：一级2,3号隔振器刚度增加15%，4,5号隔振器刚度减小15%，二级隔振器刚度不变；刚度方案工况5：一级隔振器刚度全部减小15%，二级隔振器刚度全部增加15%；刚度方案工况6：一级隔振器刚度全部增加15%，二级隔振器刚度全部减少15%；分析出5个刚度方案下的传递.对比原方案，判断隔振性能是否满足要求.各刚度方案下的传递率曲线如图4.将图4中各刚度方案下传递率曲线峰值点统计如表5.提取机组上的9个测点位置及框架架上的4个测点位置的速度时域曲线，计算得到系统的振动烈度值，通过动力学仿真软件计算出了系统的动反力，结果如表6.

图4 传递率曲线

刚度方案频率/Hz原始3.66.57.99.711.615.613.87.08.410.011.916.323.36.07.39.210.914.633.56.67.99.811.615.543.66.17.99.711.715.553.76.47.89.511.115.863.46.57.910.012.116.0

从图4中可知，系统共振带主要集中在0～35 Hz之间，根据表5的峰值统计可知，系统有效避开了41 Hz以上的柴油机倾倒力矩主简谐成分，同时也避开了13.7、15、16.7、20、23.3、27.5、30 Hz等转速激励成分，避免了系统在主要激振力方向引起的共振.根据表4固有频率可知，系统不发生共振.

表6 振动烈度

根据“柴油机车车内设备机械振动烈度评定方法(GB5913-86)”，框架振动烈度为A等级，框架动反力也较小，机组振动烈度为B级，系统隔振性能较好，满足工程要求，系统不发生共振.

4 结论

(1)根据约束及边界条件，确定了一级隔振器和二级隔振器的刚度分组及刚度比，得出了个隔振器的刚度值;

(2)在计算出的刚度结果下，计算出了机组及框架的振动烈度及框架的动反力，系统隔振性能较好，满足工程需求;

(3)由于隔振器的生产工艺误差，分析了隔振器刚度在±15%误差下的传递率，结果显示系统有效避开了41 Hz以上的柴油机倾倒力矩主简谐成分，同时也避开13.7、15、16.7、20、23.3、27.5、30 Hz等转速激励成分，避免了系统在主要激振力方向的振动.根据计算出的固有频率可知.

[1]钱留华.基于多体动力学汽车动力总成隔振性能研究[D].武汉：华中科技大学，2005.

[2]季文美，方同，陈松淇.机械振动[M].北京：科学出版社，1985.

[3]余成波，何怀波，石晓辉.内燃机振动控制及应用[M].北京：国防工业出版社，1997.

[4]孙玉华，董大伟，闫兵等.双层隔振系统的解耦优化研究[J].振动、测试与诊断,2014,34(2):361- 365.

[5]黄雪飞，于金朋，张丽博等.车下设备与车体接口双层隔振系统隔振参数研究[J].噪声与振动控制，2015,35(3)：67- 72.

[6]班希翼，孙梅云，高峰，等.减振器悬挂刚度对柴油机振动烈度的影响[J].噪声与振动控制，2013(5)：166- 169.

Design and Evaluation Analysis of An Internal Combustion Power Pack Diesel Generator Double Isolation System

CHEN Hang, ZHANG Liming, LI Kaichen,YU Hairan

(State Key Laboratory of Traction,Southwest Jiaotong University，Chendu 610031,China)

An internal combustion diesel generator power pack of double-layer vibration isolation system is studied. According to the boundary conditions, the constraints and variables and other factors，the relationship between the stiffness of the double layer vibration isolation system and the three direction stiffness ratio of the isolator is determined and obtained. The vibration intensity and dynamic reaction force of the unit and the frame show that the vibration isolation performance of the system is better, which can meet the engineering requirements. The vibration isolator production process error, on the basis of the original stiffness are analyzed with the error of ±15%. From the transmission rate curve. More than 41 Hz torque harmonic components is effectively averted under the working condition of stiffness scheme. The diesel engine rated speed frequency excitation component is avoided without system resonance.

dynamic package; double layer vibration isolation; stiffness design; resonan

1673- 9590(2017)03- 0022- 05

2016- 04- 04

陈行(1990-)，男，硕士研究生; 张立民(1960-)，男，教授，博士，主要从事结构振动、动态设计与安全检测方面的研究E- mail:jackchenh@126.com.

A