发动机外管路振动特性分析及减振研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yangzhibo0508
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特种车辆的发动机是保障其运行和工作的核心部件,发动机的外管路作为提供冷却液、燃料、控制信号和排气的重要组件,其可靠性和安全性会直接影响发动机系统的运作。本文以我国某型特种车辆发动机的外管路组件为研究目标,研究发动机典型外管路的振动环境,分析发动机外管路的机械振动和流固耦合致振特性并探讨外管路的减振措施,对于保障发动机外管路系统的稳定和可靠运行具有重要的工程应用价值。本文的主要研究内容包括:(1)针对发动机外管路运行时的流固耦合状态,基于Timoshenko梁模型推导了典型发动机直管的流固耦合14方程振动传递矩阵,通过计算水箱-管路-阀门系统的模态频率和振型对传递矩阵法进行了验证。(2)以发动机外管路系统中的冷却管路为研究对象,搭建振动信号动态采集试验平台,对发动机和冷却管路的振动信号进行动态采集和相干分析。明确了冷却管路的振动主要是由发动机、水泵的机械振动和管内流体脉动所导致的,主要振动能量分布在180Hz~240Hz的发动机旋转倍频段。(3)利用Workbench软件完成了典型冷却回流管在真空和流体预应力下的模态仿真,研究发现,流体预应力对管路固有频率的影响可忽略;对冷却回流管进行力锤模态试验,模态仿真和试验的频率误差小于10%,模态振型相似,验证了仿真分析的可靠性。仿真和试验结果表明,冷却回流管的各阶固有频率均远大于发动机、水泵和流体脉动的激励频率,外界有害激励对冷却回流管的影响较小。(4)完成进油管路的内流场动态特性仿真和模态分析工作。利用Fluent软件对压力脉动下的进油管内流场进行仿真分析,速度和流线云图表明,进油管内流线分布均匀,无涡旋和回流,管内流体没有产生自激振荡,由流体流动导致管路激振的可能性低,验证了进油管结构设计的合理性。研究表明,进油管的流固耦合振动是由流体流入瞬间水锤效应导致的,管路形变集中在跨度较大的长管段和入口/出口端的弯管段。(5)完成进油管的计算模态分析和减振验证工作。使用传递矩阵和有限元法对进油管进行模态分析,验证了传递矩阵法用于输流管路模态参数计算的可行性。计算结果表明,进油管的各阶模态频率远离发动机、油泵的脉动频率,运行过程中发生共振的可能性低。采集发动机升速工况下进油管的振动数据,当发动机转速到达1787 RPM时进油管振幅达到极值81.1mm/s,需减振优化处理。以流固耦合致振为例对进油管壁厚、直径和空间约束等参数进行振动敏感性分析,结果显示,提升管路壁厚、直径,增加空间约束分别能将进油管的低阶固有频率提高1.25倍、1.4倍和3.9倍,增大壁厚和增加约束能够有效降低进油管的振幅。以增加空间约束的方案进行试验研究,结果显示,本文提出的空间约束方案可降低进油管最大振幅57%,保障了进油管的长期稳定运行。本文结合了理论、试验和仿真分析等多种方式对发动机的典型外管路进行了振动特性和模态参数研究,辨识了冷却系统和燃料系统中典型冷却回流管和油泵进油管的模态和振动特性,有助于判断发动机运行时外管路的振动情况,对于避免管路泄漏、故障和共振破坏很有工程价值,文中分析也能够为发动机外管路的设计和优化提供相应的借鉴和参考。
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