柴油机动力传动系统振动特性预估

2011年12月 噪声与振动控制 第6期 文章编号：1006—1355(2011)06一0086-05 柴油机动力传动系统振动特性预估 马炳杰，沈建平，赵大鹏，王文杰 (中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海200090) 摘要：以某动力传动系统(柴油机和齿轮箱)为工程背景，基于多体动力学和有限元方法，在加载方式与实际情况 尽量一致的原则下(柴油机和齿轮箱的连接方式采用具有预紧力的螺栓模拟，主轴承的加载采用只具有压缩而不具有 拉伸的单元模拟)，对系统进行振动特性预估，结果明：对该系统来说，油底壳是表面振动最为恶劣的部件，建议通过 诸如添加加强筋等方式加强油底壳侧壁和底板的刚度；由于上曲轴箱两侧壁自上面下有刚度逐渐弱化的趋势，因此越 接近上箱裙部，柴油机结构表面的振动情况越为恶劣；同时，对结构施加合适的阻尼对结构振动将有很大影响，复合材 料或高阻尼材料的使用是降低系统振动等级的有效方法。 关键词：振动与波；动力传动系统；柴油机：齿轮箱；多体动力学；有限元 中圈分类号：U664，TB535 文献标识码：A DOI编码：lO．3969^．is踮．1006—1355-2011．06-019 DynamicsAnalysisofP0wer眦血ssionSystemofDiesel＆嚼∞ MABing．jie，sHENJian-ping，ZHAoDa-peng，ⅥrANGWbn七ie (711ResearchInstitute，csIc，shaIlghai200090，Chilla) Ah自融荫：Vib枷onch砒acter锄alysisforthepoW盯纳Iillsystemofadie辩lengineh够beenaccompIishedbyme觚sof tt蝣FEMbasedonm硼ti—bodydyn鲫icsmodcJ．neloadingoondifi锄sappJiedtothedje辩lengi船鞠d寸；Iege8rboxa侍Vely silnilartothepfactic8l《tu撕on，forex舭巾letlle∞nne硎onsbe脚eentheengi加如dthege盯boxaresilIIulatedbyp糟10ad bo她锄dthehead咖ckloadsaresilIlllla钯dby也ecompressiveelements州thoutextellsi仰．Tk糟sultsihowlh砒d砖 vibratjonlcveliIlthesllrf．a∞ofthebottomshelloftheeflg协eisthebighest．甄itis鳓商gestedthatmern)bjngsbeusedin 也esidewaJlofthebottomsheU．Sillcet11evibfationleveloftl坞∞ginesurf．aceillcrea∞sgradually龀}mtl】lebo拍omto妞 协poftheengine，itis蛐ggestcdth砒compositem删al鲫dhighdarnpingm砒erialbeu∞dt0∞ducetheVibrationleVelof meengine． 1研wo帕_：vibr稍on蛐dw吖e；powcm证nsy咖m；die∞lengi∞；gearbox；ⅡIulti·bodydyn锄ics；HM 结构受载问题通常可分为两类，即静力问题和 动力问题。当结构受载荷没达到平衡状态，或由于 结构的弹性和惯性而围绕平衡位置振动时，其位移、 应力等均随时间发生着变化，这属于动力学问 题m。动力传动系统(由柴油机和齿轮箱组合而成) 在燃烧气体力、惯性力作用和轴承力下激起多种形 式的弹性振动，形成动力传动系统的结构振动，是一 种典型的复杂结构动力学问题。 由于动力传动系统为组合体，柴油机和齿轮箱 连接较难处理；且系统的激励较多，施加在有限元模 型时与实际相差较大。目前，对动力传动系统振动 特性的预估大多是分别进行的，即采用理论公式或 多体动力学方法进行激励特性的计算，之后采用 FEM／BEM分别对柴油机p51和齿轮箱"州进行振 动特性预估。而对动力传动系统的组合体研究较 少。对于组合结构的连接，目前的处理方法多为采 用耦合(刚性连接)、梁单元或者弹簧单元模拟；而对 于主轴承力的加载方式，目前多采用耦合或弹簧单 元模拟。这些处理方式与实际结构均有差别。 本文以某动力传动系统(柴油机和齿轮箱)为工 程背景，基于多体动力学和有限元方法，在加载方式 与实际情况尽量一致的前提下(柴油机和齿轮箱的 连接方式采用具有预紧力的螺栓模拟，主轴承的加 载采用只具有压缩而不具有拉伸的单元模拟)，对系 统进行了振动特性预估。 嫠霎暑羿!嚣篡葛；lI-譬霎，愿茎劣黑坠生，主要从事 1动力传动系统动力学建模作者简介：马炳杰(1981．)，男，山东昌邑入．博士生，主要从事l 砌刀传砌糸现明7丁：手琏候 挈力篓置警苎曼禁竺击技术研究’ 该柴油机为六缸v型结构，额定转速为2200E-mail：osce．ie@163．com ⋯一⋯⋯⋯⋯～⋯⋯⋯⋯’一 万方数据 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 柴油机动力传动系统振动特性预估 87 r，Ⅱ血，v型夹角为90。。点火顺序为从曲轴自由端 看：左1一右l一左2一右2一左3一右3．爆发压力的 相位差为90‘和150。；齿轮箱为薄板结构。基于 PmE平台进行参数化解建模，应用硒，p锄nesll进行 网格划分，其有限元模型信息为：缸盖，机体，曲轴， 轴承盖全部采用四面体十节点2阶单元，单元尺寸 取30m建立有限元模型，下箱采用4节点四边形 壳单元和3节点三角形壳单元的组合，单元尺寸取 15m建立有限元模型，传动箱采用4节点四边形 壳单元和3节点三角形壳单元的组合，单元尺寸取 15m建立有限元模型，加强筋采用等截面粱单元 模拟。网格模型共有四面体单元125634个、壳单元 14293个、剐性元194个以及节点103994个，如图l 所示。 t∞"w”⋯ 图l动力传动系统动力学模型 圈2主轴颈对主轴承作用力(z方向) 图3活塞侧击力 2动力传动系统多体动力学分析 通过在ANsYs有限元软件中进行曲柄连杼机 构、配气机构和齿轮系的有限元模态分析获得其柔 性体所需的模态信息。将包含有模型频率和振型的 ⅧF文件调入多体动力学分析软件刖)AMs，从而 进一步在A】)AMs软件中建立曲柄连杆机构、配气 机构和齿轮系的多柔体动力学仿真分析模型。 (1)采用多柔体系统动力学分析。得到柴油机边 界条件如图2一图4所示； (2)传动箱各轴承座受到齿轮轴载荷作用的部 位共计18处，其中前8处载荷的峰值如表l所示，轴 承座4处的作用力如图5所示。 3边界条件的施加分析 1)柴油机边界条件的施加 柴油机整机结构所承受的主要激励力包括气缸 燃气压力、活塞—莲杆结构的往复惯性力、曲轴的旋 转惯性力、活塞对缸套的侧击力等。根据力的作用 效果，本文考虑了以下载荷的作用m“I． (1)活塞侧击力。从图2可以看出四个缸的侧向 力的曲线是一样的，只是产生的时间不同。虽然活 塞侧向力的量值相对较小，但它随着曲轴转角不断 在主推力面和次推力面上变换作用方向，更由于活 塞和气缸套间隙的存在，使得活塞的冲击力具有脉 冲激振的作用。至于力的作用点则根据该力的正负 施加在相应的主推力面和次推力面上。另外应该说 明的是，活塞和气缸套相互作用时，活塞冲击力在气 缸套上的作用点是随着曲轴转角滑动的，但是它对 表t动力传动系统传动箱部分载荷峰值 万方数据 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 2011年12月 噪声与振动控制 第6期 j 4 要：： ·7 ：： ．10 图4气门落座力 图5齿轮箱轴承庶4作用力(y方向) 机体结构振动的影响基本上是由膨胀冲程开始时刻 的活塞冲击力决定的，此时活塞位于上止点，此时活 寨力的作用点位于缸套上部。根据曲柄位嚣可以求 出活寨顶部的位置，施加载特的位置处就可以沿周 向按余弦函数加载，按活塞长度采取均匀加 载””。 f21曲轴对主轴承的作用力。气缸燃气压力和 各种惯性力最终要通过曲轴主轴颈作用在上曲轴箱 的主轴承上，曲轴主轴颈作用在主轴承上的载荷比 较复杂，其径向力的大小和作用线方向随着曲轴转 角的变化而变化。在计算过程中将该力转化为曲轴 上与主轴承座对应的各段宅轴颈处的两个正交方向 上的等效肯点力。其总轴向力的作用线方向不变， 但大小随着曲轴转角的变化而变化。 (3)作用于缸盏上的气体爆发力。该力的作用 位置和方向不变，大小随曲轴转角的变化而变化，可 由柴油机示功周直接计算得到，进而平均施加于气 缸盖对应位置的节点上。 (4)作用于缸盖上的气门落瘫力。该力是进排 气门在关闭过程巾m于惯性力以及燃气压力所造成 的气门与气门座圈之间的接触力。该力的作用位置 和方向不变，人小随曲轴转角的变化晰变化，在计算 过程qJ将该力平均施加十气缸盖气¨座圈对应位置 的节点上。 2)传动箱边界条件的施加 传动箱各轴承座受到齿轮轴载荷作用的部位共 计18处．按j■y、z三个方向施加载荷．合力大小和 方向由软件自动生成，其加载方式与曲轴对主轴承 的作用力基本相同，如图6所示。 l 萋爿I 亡 雾矧．o”(『≥ 图6传动箱载荷旖加位置 4动力传动系统动力学响应分析 在建立系统动力学模型和正确地施加载荷的基 础上，采用隐式积分法求解动力传动系统在时域的 动力学响应，为进行动力传动系统振动噪声的研究 奠定基础。其中分析时问为柴油机。‘个J二作周期， 即O．0545s，上作转速为2200“min。 4．1表面振动位移、速度及加速度分析 对动力传动系统选取15个点””，通过对这15个 观察点(如图7所示)的位移、速度和加速度时域结果 的分析，来评价柴油机整机的动态特性。图8至图 10为计锋得到的4个观察点位移、速度和加速度幅 值的时域结粜。 万方数据 柴油机动力传动系统振动特性预估 7 图7动力传动系统振动考察点分布示意图 图8各测点位移结果 图9各测点速度结果 鼍 萋 翼 ∞ 蓁奄 图10各测点加速度结果 圆 图ll不同阻尼时测点6速度对比图 从上述结果可得如下结论： (1)在选取的各测点中振动最剧烈的是第8点 和第9点，即位于下箱侧壁和底部中心，最大幅值发 生时刻在0．037s左右，两测点的峰值分别约为4．32 桃和12．12l眺。下箱是整机结构表面振动最为恶 劣的部件。这也是原机型通过采用加强筋来加强侧 壁局部刚度的原因；对于下箱底面出现的大量振型， 是因为在结构设计中下箱底面完全设计成平板所 致。 (2)分别测量上曲轴箱考察点结果的第1、2、3 点和4、5、6点速度谱最大峰值分别为2．58Il体、 2．29m／s、3．45m／s和3．26m／s、3．58m／s、3．67m／s， 最大幅值发生的时刻点均为0．038s附近。由于上 曲轴箱两侧壁自上而下有刚度逐渐弱化的趋势，因 此越接近上箱裙部，柴油机结构表面的振动情况越 为恶劣： (3)图ll为上箱测点6(节点号35441)不同阻 尼值下的表面振动速度幅值时域结果图，其中图线l 的阻尼值为0．1，图线2阻尼值为0．Ol，图线3阻尼值 为0．ool。无阻尼振动速度幅值远远超过了阻尼振 动，这也证明了对结构施加合适的阻尼对结构振动 将有很大影响，复合材料或高阻尼材料的使用是降 低系统振动等级的有效方法。一般的金属材料的阻 万方数据 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 Leo 线条 2011年12月 噪声与振动控制 第6期 尼值都低于O．Ol，由于本文工作为整体动力传动系 统装配体计算，结构复杂，并使用了多种材料，整机 的阻尼值难于确定。因此，本次计算采用最恶劣工 况即阻尼为O．001工况计算，所得结论为本传动装置 动响应的上限。 需要说明的是，对于下箱底面出现的强烈振动， 会因为机油的装载而改变”l。 4．2应力分析 通过对动力传动系统进行动力学响应分析，可 以得到危险点8和危险点9的应力分布图如图12和 图13所示。图14和图15分别为为f=O．017s和f= O．053s时的应力分布图。通过对系统进行动响应分 析，主要得出以下结论： (1)柴油机曲轴箱振动品质比较恶劣，它所具有 的大面积薄板结构是不太合理的，这样会加强下箱 传递柴油机内部激振力的能力，提高整机振动噪声 水平。 (2)建议在后期结构改进工作中，以下箱对柴油 机振动噪声水平的贡献为重要考量对象，可通过诸 如添加加强筋等方式加强下箱侧壁和底板的刚度， 来减少这部分的振动及噪声辐射量。 42103 20∞0 羹 。 氆 ．20∞0 ．40Ⅻ -47957 23，6 O 墨 餐-4㈣ -80∞ ．10439 。f 。雠 i以6 6 f l} rj “ } ／VV。j l f‘＼ j t t。t，¨JJ 1 F f ”一f 1 { 时问矗 图12测点8应力图 0 002时闻m 0叫 0-054 图13测点9应力图 图14t=0．017s的、，onMiscs应力 图15，印．053时刻的ⅦnMi∞s应力 矧 刘 5结语 本文在建立了动力传动系统动力学模型和合理 确定载荷的基础上，基于多体动力学和有限元方法， 在加载方式与实际情况尽量一致的前提下(柴油机 和齿轮箱的连接方式采用具有预紧力的螺栓模拟， 主轴承的加载采用只具有压缩而不具有拉伸的单元 模拟)，对动力传动系统进行了动力学响应计算，并 通过关键部位的位移、速度、加速度结果以及三个时 刻动力传动系统的VonMises应力分布结果，对结构 的动态特性做出了初步评价。通过对动力传动系统 结构动力学分析技术的研究和探索，为今后进行动 力传动系统振动噪声预估研究奠定了技术基础。 对该系统来说，油底壳是整机结构表面振动最 为恶劣的部件，建议通过诸如添加加强筋等方式加 强油底壳侧壁和底板的刚度：由于上曲轴箱两侧壁 自上而下有刚度逐渐弱化的趋势，因此越接近上箱 裙都，柴油机结构表面的振动情况越为恶劣；同时， 对结构旌加合适的阻尼对结构振动将有很大影响， 复合材料或高阻尼材料的使用是降低系统振动等级 的有效方法。 门啭第1∞页) 兰_j||||和涵前矗务晶1’—||Il||||||||¨■¨叫m■”k％～，¨1 万方数据 Leo 线条 一类受噪声扰动混沌系统的自适应同步 103 8 6 4 2 O 5 f lO 15 图2响应系统的未知参数61，62，63的辨识曲线 Fig．2Identificationcun，esof61，62，63ofresponsesystems 4结语 本文研究了受噪声扰动混沌系统的自适应同 步，以LyapuIlov稳定性理论为基础，设计了噪声扰 动的参数自适应控制律和非线性控制器，成功地实 现了受噪声扰动混沌系统的同步和参数辨识，采用 Matlab进行同步仿真，进一步验证了该方法不仅是 可行的而且是有效的。 参考文献： 【l】Lore|lzEN．DetemlinisticNon_P嘶odsnows四．JA啦os Sci．1963，20：130—141． 【2】 HublerAW．Adaptivecon仃01ofchaoticsyst锄s明． HelV鲥caPhysicaActa，1989，62(2)：343-346． 【3】 叽E，骶bogiC，YbrkeJA．Co】1仃011吨chaosmPhys RevLe饥，1990，64：1196．1199． 【4】 PecomLM，C啪llTL．S”cllronizationinchaotic systems[J】．PhysR肼Lett，1990，64：821-824． [5】 “DM，LuJ A，WuXQ．Lineallyco叩led syndlr011izationoftheunifiedchaoticsystemsandthe LoreIlzsystems【J】．Ch{吣s，Soli咖s＆Fmctals，2005，23： 79-85． 【6】W抽gY，GuanZH，W抽gHO．Feedback锄ad印tivc controlfor血esyIlchronizationofCh∞syst锄、，iaa sillglev撕able[J】．PhysLettA，2003，312：34-40一 【7】 StojanovskiT， KocarevL， Pa订itzU．Driving蛐d 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