［摘要］以安装在消音器与空滤之间的隔热板振动问题分析为例，借助模态分析方法，使所设计的零部件自振频率避开发动机激振频率，最后提出柴油机安装零部件设计的一般原则。
［关键词］装载机；隔热板；振动；模态
柴油机动力装置具有可靠性高、使用寿命长、运行成本低等特点，广泛应用在工程机械动力系统中。装载机是典型的应用柴油机作为动力装置的工程机械，在设计装载机动力系统时，经常需要将柴油机工作所必须的零部件安装到机体上，比如柴油机油滤、空滤和消音器等。这些零件都需要设计专门的安装支架，然后通过这些安装支架把他们固定安装到柴油机上。有时为了隔离消音器热辐射，经常需要在空滤和消音器之间增加一隔热板。在整机运行过程中，作为整车动力装置的柴油机是振动体，安装到柴油机上的所有零部件均要承受来自柴油机的振动。这些零部件要获得其预期的功能和良好的可靠性，就必须遵守特定的设计原则，需要弄清楚零部件自振特性、以及零部件自振特性和柴油机振动之间的关系。
传统设计方法是按照既有经验进行功能性设计，以达到安装功能为原则，但是这种设计方法不能保证所设计的零部件能获得预期的效果。当设计过弱时导致安装零部件早期疲劳失效，最终可能影响发动机的正常运行；当设计过强时又会增加不必要的成本。
1 隔热板振动问题分析
1.1 问题描述
某装载机消音器和空气滤清器安装在发动机上，在消音器与空滤之间有一隔热板，如图1所示，用于隔离消音器的热源，以防止消音器的高温热辐射损坏空滤。在整机下地调试过程中，反馈整机动力舱存在异响，特别是在发动机怠速时较突出，进一步排查发现该异响是由于消音器与空滤间隔热板振动造成，需对该隔热板进行改进设计。隔热板结构和尺寸如图2。
图1 隔热板及其安装示意图
图2 隔热板结构和尺寸图
1.2 原因分析
发动机气缸发火频率由气缸数、发动机结构和转速决定。该装载机使用4冲程直列6缸发动机，每个工作循环有3次气缸点火，点火产生的激励频率可由（1）式计算。
图3 隔热板的1阶模态振型
表1 隔热板的6阶模态频率
1.3 改进方案
如前面分析，要解决反馈中在怠速时隔热板异响问题，就要使其自振频率避开发动机的激励频率，避免产生共振，该装载机的发动机全速段激振频率如表2所示。为此改进隔热板结构，加大板厚，同时增加加强筋，改进后的隔热板结构和尺寸如图4。对改进后的结构进行CAE模态分析，1阶振型如图5，前6阶频率如表3所示。可以看到，改进后隔热板其1阶频率提高到140.74Hz，是发动机怠
式中 f——频率，单位为Hz；
n——发动机转速，单位为r/min。该装载机发动机怠速转速为800r/min，其激振频率由（1）式计算得40Hz，对隔热板进行CAE模态分析，其1阶振型如图3，前6阶频率如表1所示。从表1可以看出，隔热板1阶模态频率约为45Hz，该频率接近发动机在怠速时的激振频率，产生共振，也就增加了隔热板振动能量输入，此为产生异响的根源。速时激振频率的3.5倍，是最高转速时激振频率的1.41倍，避开了发动机的激励频率。
图4 改进后隔热板结构和尺寸图
表2 发动机激振频率
1.4 试验验证
将改进后的隔热板样件替代原来的隔热板，再进行调试，发现振动明显减小，在发动机全速段范围机舱异响消除，并对实施该改进后的装载机进行批量装机调试跟踪和市场验证，证实隔热板有效避开发动机的激振，且可靠性得到大幅提升，改进达到预期。
图5 改进后隔热板1阶模态振型
表3 改进后隔热板的6阶模态频率
2 结束语
通过分析隔热板振动问题，传统的基于既有经验进行简单的功能设计的方法很难取得较好效果，在设计动力装置安装零件时，首先应计算发动机的激振频率，借助模态分析软件对安装零件进行模态分析，使零部件的固有频率避开发动机的激振频率，以避免因共振产生的噪音和零部件失效，使安装零件安全可靠。
