电动轮自卸车发动机扭转振动分析与试验研究

.作者:张伟 杨珏 张文明 赵翾 郭苗苗
.来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2015年第2期
.中文关键字:电动轮自卸车;发动机;发电机;轴系;扭转振动;数学模型
.英文关键字:motor dump truck; engine; generator; shafting; torsional vibration; mathematical model
.中文摘要:针对电动轮自卸车发动机和发电机系统轴系扭转振动问题进行分析,并通过试验进行验证,提出分析此类轴系扭转振动的研究方法。根据电动轮自卸车的动力传递系统由发动机和发电机直接刚性连接而成的特点,对系统轴系进行固有振动特性和强迫振动特性分析时,建立轴系扭转振动分析的集总质量参数模型,利用系统矩阵法和能量法获得轴系的固有频率和振型。在试验验证阶段,采用非接触式扭转振动测量法进行试验验证,对比分析计算结果和试验验证结果。研究结果表明:分析计算和试验验证基本吻合,证明了针对此类轴系扭转振动分析计算方法的可靠性,并获得轴系扭转振动发生共振的主谐次和强谐次,为进一步进行扭转振动减振分析及部件设计提供了依据。
.英文摘要:To solve the problem of torsional vibration of the engine and generator shafting in motor dump truck, through mathematical modeling analysis and experimental verification, a method was provided to analyze the torsional vibration. The powertrain system includes engine, generator and directly rigid connection between them. According to the structure, a lumped mass shaft system model was established for calculating the characteristics of free vibration and forced vibration. And the system natural frequencies and vibration modes were obtained with the matrix method and energy method though the model. Meanwhile, non-contact measurement was used in the torsional vibration test. The calculation results were compared with the test results. The results show that the calculation results and the test results are coincident, which proves that the calculation method is reliable for studying the torsional vibration in this type shafting, and the main and powerful order harmonic are obtained when shafting torsional vibration has resonance. So, the results provide a theoretical basis and method for truck design and further study in torsional vibration reduction.
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DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.020

电动轮自卸车发动机扭转振动分析与试验研究

张伟1,杨珏1,张文明1,赵翾1,郭苗苗2

(1. 北京科技大学 机械工程学院,北京,100083;

2. 北汽福田汽车工程研究院,北京,102206)

摘要:针对电动轮自卸车发动机和发电机系统轴系扭转振动问题进行分析,并通过试验进行验证,提出分析此类轴系扭转振动的研究方法。根据电动轮自卸车的动力传递系统由发动机和发电机直接刚性连接而成的特点,对系统轴系进行固有振动特性和强迫振动特性分析时,建立轴系扭转振动分析的集总质量参数模型,利用系统矩阵法和能量法获得轴系的固有频率和振型。在试验验证阶段,采用非接触式扭转振动测量法进行试验验证,对比分析计算结果和试验验证结果。研究结果表明:分析计算和试验验证基本吻合,证明了针对此类轴系扭转振动分析计算方法的可靠性,并获得轴系扭转振动发生共振的主谐次和强谐次,为进一步进行扭转振动减振分析及部件设计提供了依据。

关键词:电动轮自卸车;发动机;发电机;轴系;扭转振动;数学模型

中图分类号:U270.1;TK423.3             文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2015)02-0512-07

Dynamic characteristics and test analysis of torsional vibration of diesel engine at motor dump truck

ZHANG Wei1, YANG Jue1, ZHANG Wenming1, ZHAO Xuan1, GUO Miaomiao2

 (1. School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;

2. Automotive Engineering Research Institute, Beiqi Foton Motor Co., Ltd., Beijing 102206, China)

Abstract: To solve the problem of torsional vibration of the engine and generator shafting in motor dump truck, through mathematical modeling analysis and experimental verification, a method was provided to analyze the torsional vibration. The powertrain system includes engine, generator and directly rigid connection between them. According to the structure, a lumped mass shaft system model was established for calculating the characteristics of free vibration and forced vibration. And the system natural frequencies and vibration modes were obtained with the matrix method and energy method though the model. Meanwhile, non-contact measurement was used in the torsional vibration test. The calculation results were compared with the test results. The results show that the calculation results and the test results are coincident, which proves that the calculation method is reliable for studying the torsional vibration in this type shafting, and the main and powerful order harmonic are obtained when shafting torsional vibration has resonance. So, the results provide a theoretical basis and method for truck design and further study in torsional vibration reduction.

Key words: motor dump truck; engine; generator; shafting; torsional vibration; mathematical model

电动轮自卸车采用发动机和发电机直接串联模式代替了原有的传动轴、变速器、差速器及减速器等,车辆结构大大简化。发动机与发电机直接刚性连接,由二者组成的轴系与传统机械传动差别较大,属于多振动类型的复杂振动系统。轴系的扭转振动不仅受到机械方面的影响,而且受到电磁方面的影响,轴系的激振力类型发生显著变化。电动轮自卸车工作的矿山频繁出现上坡、下坡的山区路面,车辆空载和满载交替运行,因此,发电机转速变化频率较高、磁场变化显著,轴系扭转振动随之变化。扭转振动分析对保证动力总成的工作可靠性、降低轴系的振动和噪声有显著影响[1]。发动机扭转振动分析一直是国内外学者研究的重点。文献[2]通过简化轴系模型,采用振动理论计算求取自由振动和强迫振动的相关特性;文献[3]采用多体系统仿真的方法建立轴系的三维模型进行仿真计算分析;文献[4]通过采用试验测量的方法研究相关附件对轴系扭振的影响。本文作者结合电动轮自卸车的工作特点,采用系统矩阵法和能量法分别对轴系进行固有特性和强迫振动分析,同时采用非接触式扭转振动测量法进行试验验证,对比分析计算结果和试验结果,验证求解分析的可靠性与准确性。

1  试验测试系统

电动轮自卸车的发电机直接与发动机相连,其发出的电通过整流器和逆变器之后直接供给轮边电动机,从而驱动车辆前进。动力传递系统主要包括发动机、发电机、整流器、逆变器、轮边电机等。电动轮自卸车动力传递结构示意图如图1所示。

图1  电动轮自卸车动力传递结构示意图

Fig. 1  Diagram of powertrain in motor dump truck

1.1  试验测量方法

图2所示为试验测试所用的扭振测量装置示意图。试验中采用非接触式扭振测量法,测量装置不直接安装在轴系上,利用发动机飞轮和轴系自由端齿轮,通过磁电传感器采集信号,利用LMS-QTV转换拾取扭振信号。该种测量方法的测量精度高,使用方法简便,反应速度快,而且试验测试系统本身对轴系扭转振动没有影响[4]

1.2  试验用发动机和发电机相关参数

试验用发动机选用Cummins QSL9-325柴油发动机,其额定功率为242 kW,额定转速为2 100 r/min,气缸数为6,气缸直径为0.114 m,冲程系数为2,曲柄半径为201 mm。

图2  扭转振动测量装置示意图

Fig. 2  Diagram of torsional vibration measuring equipment

选取兰州电机有限责任公司的TFBPW-355-8型无刷同步发电机,其额定功率为230 kW,额定频率为120 Hz,额定转速为1 800 r/min,额定电压为660 V,额定电流为201 A。

2  轴系固有频率和固有振型

2.1  系统的当量转化

采用集总质量模型简化得到当量系统是九质量、八自由度的当量系统,如图3所示,其中,I1为风扇驱动的转动惯量;I2~I7为发动机6个活塞连杆的转动惯量;I8为发动机飞轮的转动惯量;I9为发电机转子转动惯量;K1,2为风扇连接装置刚度;K2,3~K7,8为相邻两曲拐之间的主轴颈刚度;K8,9为发电机转子轴刚度。发动机和发电机系统轴系多质量系统当量转化各参数示意图如图3所示。

2.2  系统固有频率和固有振型

多质量系统的自由扭转振动计算,目前常用的方法有霍尔茨(Holzer)表格法、系统矩阵法(应用行列式展开求根方法或迭代法)、传递矩阵法(或称迁移矩阵法)等方法[5],其中系统矩阵法可以归结为求矩阵方程的特征值和特征根的问题,计算简便,本文采用计算机辅助计算的系统矩阵法。

多质量系统的扭转振动的动力学方程为

           (1)

其中:

图3  多质量系统各参数示意图

Fig. 3  Parameter diagram of quality system

,为转动惯量矩阵; ,为各质量点的扭转振动角位移;,为刚度矩阵。

利用MATLAB编程,直接求得系统的特征根和特征向量,即可得到多质量系统的固有频率和振型,如表1和图4所示。

从图4可以看出:发动机-发电机轴系第一阶振型几乎没有波动;第二、三阶振型轴系波动较明显;从第四、五、六、七阶振型中可以看到轴系波动均比较剧烈,但这几阶的频率较高(均大于3 000 rad/s),一般不容易发生共振,因此,在后面的讨论中以前3阶振型为主要研究振型。

表1  轴系的固有频率

Table 1  Natural frequency of shafting  rad/s

图4  轴系振型图

Fig. 4  Mode of vibration

3  激振力矩

激励力矩是引起系统扭转振动的能量来源,是研究扭转振动必不可少的环节,激励力矩的振幅和频率往往影响到相应的响应的振幅和频率[6]。主要干扰力矩包括发动机气缸内气体压力变化产生的作用力矩、发动机活塞曲柄连杆机构往复运动产生的惯性力矩和发电机的电磁激励等[7]

作用于单个曲拐上的转矩为

       (2)

其中:Pg为缸内气体作用力;Pj为往复惯性力。该函数为周期函数,四冲程发动机。

3.1  缸内气压产生力矩的简谐分析

将函数M进行傅里叶级数展开可得:

         (3)

              (4)

              (5)

                (6)

其中:T为曲轴运转周期,T=4π/ω;ω为曲轴的角速度;Mk为k次谐力矩的幅值;δk为其初相角;ω0为基频;Mm为平均转矩,只引起曲轴的静扭转变形,不引起激振作用,故轴系所受到的缸内气压产生力矩Mg由式(3)写为

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