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由配氣機(jī)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)

2020-02-03 18:28:10·  來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  
　
配氣機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)主要的振動(dòng)和噪聲源之一，其功能是按照內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)工作過程要求適時(shí)進(jìn)氣和排氣，使氣缸內(nèi)的充量及時(shí)更換。對(duì)于四沖程內(nèi)燃機(jī)，廣泛采用氣閥式配氣
配氣機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)主要的振動(dòng)和噪聲源之一，其功能是按照內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)工作過程要求適時(shí)進(jìn)氣和排氣，使氣缸內(nèi)的充量及時(shí)更換。對(duì)于四沖程內(nèi)燃機(jī)，廣泛采用氣閥式配氣機(jī)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上主要包括凸輪、挺柱、推桿、搖臂、氣閥和氣閥彈簧等。一個(gè)工作周期內(nèi)，配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性可以劃分為氣閥升程、氣閥降程和氣閥落座3個(gè)階段進(jìn)行描述．氣閥落座將產(chǎn)生高頻、大幅值振動(dòng)，是因?yàn)樵谝粋€(gè)極短時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)的動(dòng)能都轉(zhuǎn)化為整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量。本次推文通過仿真模型，尋求建立一個(gè)配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的預(yù)測方法，從而為配氣機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的振動(dòng)受力計(jì)算、疲勞壽命的提高等提供技術(shù)服務(wù)。
 
01、預(yù)測模型及試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)
 
1.預(yù)測模型
由于推桿式配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式及工作原理具有一般性，所以將推桿式配氣機(jī)構(gòu)作為研究對(duì)象，研究由其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)的預(yù)測方法。圖1為推桿式配氣機(jī)構(gòu)示意。對(duì)于推桿式配氣機(jī)構(gòu)，激勵(lì)力主要包括凸輪與挺柱的接觸力、推桿與搖臂的接觸力、搖臂與氣閥的接觸力、氣閥彈簧與氣缸蓋的接觸力以及氣閥與氣閥座的接觸力。
圖1 推桿式配氣機(jī)構(gòu)示意
 
將配氣機(jī)構(gòu)每個(gè)零件視作一個(gè)子系統(tǒng)，根據(jù)每個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，通過接觸力建立各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。圖2為配氣機(jī)構(gòu)的激勵(lì)源特性預(yù)測模型。具體建模方法及相應(yīng)的簡化和求解設(shè)置可參考原文。為了預(yù)測由配氣機(jī)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，除配氣機(jī)構(gòu)的激勵(lì)力以外，還需要建立內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元模型，將其作為激勵(lì)施加的載體。為了減小計(jì)算規(guī)模又不至于使計(jì)算模型過于粗糙，采用一個(gè)波長內(nèi)包含6個(gè)單元的網(wǎng)格細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)。從簡化計(jì)算規(guī)?？紤]，只考慮機(jī)體、氣缸蓋、氣閥罩和油底殼的振動(dòng)響應(yīng)。以一個(gè)4 缸內(nèi)燃機(jī)組合結(jié)構(gòu)為例，采用Ansys 軟件建立其結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型，如圖3所示。
圖2 配氣機(jī)構(gòu)的激勵(lì)源特性預(yù)測模型
圖3 結(jié)構(gòu)振動(dòng)組合模型
 
2.試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)
 
圖4a為試驗(yàn)裝置示意，試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)的方法建立，即將組合結(jié)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)安裝在一個(gè)整體機(jī)架上，組合結(jié)構(gòu)通過4個(gè)減振器與機(jī)架相連，電動(dòng)機(jī)與凸輪通過彈性聯(lián)軸器連接，從而可以將組合結(jié)構(gòu)作為一個(gè)獨(dú)立的分析對(duì)象。為了使振動(dòng)信號(hào)簡單，試驗(yàn)時(shí)僅裝載一組配氣單元，保持計(jì)算條件與試驗(yàn)條件一致。試驗(yàn)裝置現(xiàn)場如圖4b所示。測量對(duì)象包括氣閥加速度和組合結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)。氣閥加速度和組合結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)信號(hào)采用壓電式加速度傳感器測量。為了更有效地測量由配氣機(jī)構(gòu)激勵(lì)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)測點(diǎn)的布置要具有針對(duì)性，如選擇氣缸蓋底部靠近工作氣閥附件位置作為測點(diǎn)，以捕捉由氣閥-氣閥座沖擊引起的振動(dòng)信號(hào)。
圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)
 
02、預(yù)測值與實(shí)測值對(duì)比
 
圖5給出轉(zhuǎn)速為700,r/min時(shí)氣閥加速度預(yù)測值和實(shí)測值。在整個(gè)氣閥工作周期中，預(yù)測值與實(shí)測值的波動(dòng)頻率一致，只是幅值稍有不同。在氣閥開啟和落座時(shí)，預(yù)測值模擬出由沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，表明建立的配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型與其真實(shí)的物理特征很接近，包括系統(tǒng)的質(zhì)量、彈性變形和能量損耗。
圖5 時(shí)域內(nèi)氣閥加速度
 
 配氣機(jī)構(gòu)各零件之間的動(dòng)態(tài)接觸力是引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的直接原因。圖6給出了轉(zhuǎn)速為900,r/min時(shí)配氣機(jī)構(gòu)的各接觸力級(jí)分析。在較低頻率范圍內(nèi)，每個(gè)接觸力都具有較高的能量分布。其中凸輪與挺柱的接觸力級(jí)最高，其次是推桿與搖臂的接觸力，然后是搖臂與氣閥的接觸力。在中心頻率為40Hz和50Hz的1/3倍頻程內(nèi)，氣閥彈簧和氣缸蓋之間的接觸力級(jí)最高。在中心頻率為500～800Hz的1/3 倍頻程內(nèi)，凸輪與挺柱、推桿與搖臂以及搖臂與氣閥的接觸力都具有較高的量級(jí)。結(jié)合圖5可知，頻帶內(nèi)的較高接觸力級(jí)是由該轉(zhuǎn)速下第63次諧頻與配氣機(jī)構(gòu)固有振動(dòng)頻率接近導(dǎo)致的。在1600～4000Hz的1/3倍頻程內(nèi)，氣閥與閥座的接觸力級(jí)最高。
圖6 接觸力級(jí)分析
 
圖7為缸蓋底部靠近工作氣閥位置振動(dòng)測點(diǎn)示意。用圖3所示結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型預(yù)測了該測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度響應(yīng)，預(yù)測值與實(shí)測值如圖8所示。預(yù)測值與實(shí)測值吻合。沖擊振動(dòng)主要發(fā)生在氣閥開啟和關(guān)閉過程中，特別是氣閥關(guān)閉時(shí)。氣閥關(guān)閉時(shí)盡管有凸輪緩沖段的控制作用，但仍然會(huì)產(chǎn)生較大沖擊力并通過氣閥座作用于氣缸蓋。
圖7 缸蓋底部測點(diǎn)示意
圖8 缸蓋底部測點(diǎn)振動(dòng)加速度
 
圖9為頻域內(nèi)機(jī)體表面的振動(dòng)特性．在125～4000Hz頻率范圍內(nèi)，預(yù)測值與實(shí)測值具有一致的變化趨勢，僅幅值稍有不同。在較低的頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)速度級(jí)較大。由關(guān)于接觸力級(jí)的分析可知，較低頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)主要是由凸輪型線激勵(lì)導(dǎo)致的。圖9b的中心頻率為500～800Hz的1/3倍頻程內(nèi)，預(yù)測值和實(shí)測值均出現(xiàn)了較高的速度級(jí)。．由圖6可知，這是由該轉(zhuǎn)速下第63次諧頻與配氣機(jī)構(gòu)固有振動(dòng)頻率接近導(dǎo)致的，并且主要是通過凸輪與挺柱、推桿與搖臂以及搖臂與氣閥的接觸力作用于結(jié)構(gòu)的。在1000～4000Hz的頻率范圍內(nèi)隨著頻率升高，振動(dòng)逐漸變大，這是由氣閥與閥座的接觸力導(dǎo)致的。
圖9 測點(diǎn)振動(dòng)速度
 
利用分別加載各激勵(lì)力和同時(shí)加載各激勵(lì)力的方法能夠比較各激勵(lì)力的貢獻(xiàn)量。圖10為由配氣機(jī)構(gòu)各接觸力引起的組合結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)的貢獻(xiàn)量分析。合力代表所有接觸力同時(shí)作用的結(jié)果。由氣閥與閥座接觸力引起的振動(dòng)最大，與合力作用結(jié)果接近，其次是凸輪與挺柱接觸力，推桿與搖臂和搖臂與氣閥接觸力的貢獻(xiàn)分別處于第3 位和第4 位，氣閥彈簧與氣缸蓋接觸力的貢獻(xiàn)最小。隨著凸輪轉(zhuǎn)速的變化，各接觸力的貢獻(xiàn)量相對(duì)大小不變。
圖10 接觸力貢獻(xiàn)量比較
 
03、小結(jié)
 
（1）在低頻范圍內(nèi)，由配氣機(jī)構(gòu)引起的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要與凸輪型線有關(guān)，即與凸輪型線的函數(shù)形式有關(guān)，并且主要是通過凸輪與挺柱接觸力作用于機(jī)體結(jié)構(gòu)。
（2）在500～1000Hz頻率范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)是由配氣機(jī)構(gòu)共振導(dǎo)致的，并且主要是通過凸輪與挺柱、推桿與搖臂以及搖臂與氣閥的接觸力作用于機(jī)體結(jié)構(gòu)的。在1000～4000Hz的頻率范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)主要是由氣閥與閥座的接觸力導(dǎo)致的。
 
文獻(xiàn)來源及推薦閱讀
 
[1]國杰,張文平.內(nèi)燃機(jī)中由配氣機(jī)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)機(jī)理[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2017,35(04):376-383.
 
《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》是由中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)主辦的國家級(jí)高級(jí)學(xué)術(shù)刊物，是國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)與研究生教育中文重要期刊，是中國科技論文統(tǒng)計(jì)用刊，被工程索引(EI)等多個(gè)國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫收錄，多年來一直位居我國“中文核心期刊要目”能源與動(dòng)力工程類前列。
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