Nothing runs like a Deere

疾如“鹿”奔

无论是砍伐森林、挖掘地基还是推进船舶,人们信赖约翰迪尔(John Deere)公司的发动机产品。

但是由于每个应用都对机装部件施加独特的应力,NVH团队必须设想出数以千计的不同产品,以满足现实生活中的需求。

约翰迪尔发动机的应用有诸多可能性。它可能会成为在德州人烟稀少的道路两边广袤田野上进行平稳作业的拖拉机的“心脏”。但是,如果该发动机用来驱动欧洲的施工机械,就会有非常不一样的体验。当它用于在地上实施挖洞作业时,发动机会长时间承受强负荷,同时当机器在坚硬的金属轨道上移动时,还要承受变化的速度和作用力。

这类应用,或者说“循环工况”,会影响整个机器的可靠性,尤其是机装部件的可靠性。因为对于给定的发动机转速和负荷,每台发动机都会产生一定形式的振动。有些频率比其他频率更具破坏性,因此,在那些特定频率的重复激励就会出现疲劳问题,这就需要设计团队来避免这些问题。 

我们为每一种应用制定发动机方案。这让我们的工作难度更大,但是这种方式让我们的客户得到他们真正需要的东西。
Kristie Iverson,约翰迪尔公司高级NVH分析工程师

数万个循环工况
目前,约翰迪尔多元化的机械系列只使用五种类型的发动机,但是有数百种可能的组件和发动机支承配置,再乘以每个独特应用的数百种不同的循环工况,独特的振动形态会达到五位数。

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高级NVH分析工程师Kristie Iverson解释说:“多数公司购买现成的发动机后需要使它能够让机器工作。我们则是针对不同的应用制定出每一个发动机方案。这使得我们的工作难度更大,但是这种方式能真正满足客户需求。”

为避免组件在不同的环境中产生破坏性的频率,进行预测是非常重要的。在位于爱荷华州滑铁卢的约翰迪尔产品设计实验室,设计师们使用CAE程序来创造新的组件。Kristie Iverson拿到这些设计文件进行分析,以便了解其如何应对因发动机燃烧产生的振动力。她模拟最恶劣的循环工况,得出一个客户不会超出的舒适的“缓冲区”。

迭代协同
“如果分析表明振动过多,我会建议设计小组做出必要的调整,比如采用更坚固的组件或者不同的材料。而我们会以迭代的方式与其合作,直到他们的设计达到我们的历史验收标准范围,”Kristie说。

样机试验也非常重要,通过检查其在实际的泥泞环境中的持续性问题、工人和随机事件,降低设计风险。在约翰迪尔自己的试验农场,车辆经过严格的测试,新的设计只有通过了严苛的测试方案后才能投放市场。

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在一个案例中,约翰迪尔的欧洲NVH团队注意到物理样机在特定应用中的一个有趣现象。“我们在美国的发动机型中也注意到了这个问题,我们希望将其进行关联,查找到问题根源,”Kristie说。

可重复全球测试
在两大洲开展可比测试是具有挑战性的,因为存在诸多可选的变量,如软件设置和测试方法。正如Kristie所说:“需要对许多测量点进行逐一比较,所以这是一个具有挑战性的测试。”

通过使用PULSE Reflex,很容易分享和规范测试方法。在美国的NVH小组建立一个包括各种分析类型的分析链,将其送到其他NVH工程师处,他们可以简单地将该分析链放到他们的PULSE Reflex版本中。

“测试后,全球的NVH人员只要将他们的数据放在内部网络上,我便可以随时通过我的项目来使用这些数据,”Kristie说,“然后将我所有的显示图和轴都设成相同的。我们都在看同样的结果,所以我会非常自信地查看在法国采集到的数据,就像看我自己采集的数据一样。这种感觉太棒了。第二天就可以告诉我的经理,在法国进行的测试与我们在美国进行的测试相比的优劣程度,这种自信是非常宝贵的。”

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为了对在许多通道上多次运行的不同测量结果进行多次分析,Kristie 经常使用PULSE Reflex中的批量处理功能。“该案例为一项很大工作量的调查研究 – 5次运行,每次48个通道,输出结果是二维频谱和彩色云图。我只需一个下午就能处理完。这在以前,我需要一个一个去做,特别耗时,”她说道。

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约翰迪尔的NVH分析师可以分享同样的分析链、显示和坐标轴,确保他们不论身在世界何处,都遵循着标准的程序。

检查模型测试
像这样进行长时间的现场测试后,并非总能搞清样机出现问题的根源。通过将测试数据与CAE设计模型相关联,Kristie可以轻松地检查测试,并从中得到有用的信息,从而明确设计方向。“我可以缩小到一个特定的组件,然后模拟整个循环工况,以查看是否确实是这种工况导致了可能引起失效的高应力,”Kristie说,“在实机上,我们可能无法用应变仪或加速度计查找到确切的失效点,但在模型中,我可以在任何地方创建一个‘分析仪’。如果能够匹配我在试验机上所看到的结果,我就可以确定具体的目标,即将应力减少X,以达到可接受的预期使用寿命。”

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由于操作人员的视野问题,林业机器可以使用横向安装的发动机,这就改变了发动机的振动特性。

像这样的信息非常方便CAE设计组使用。“我们的关系非常好,”她说,“PULSE Reflex的优势在于:它与数据的来源无关——无论是来自试验还是分析。我用同样的方式对其进行后处理,我们可以对结果进行比较,因为它们是相同的”。

同时,来自每个真实测试的反馈不断改进约翰迪尔CAE和NVH模型本身的准确性。这是Kristie对其预测有信心的保证,也是机器可靠性最终所依赖的。

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一定条件、一定负荷下的所需要的时间——工作周期——对于每台机器是独特的,使机装部件具有独特的振动和温度分布。

NVH集成到CAE
通过测试与建模的这种紧密集成,约翰迪尔增加了可行的迭代设计的数量,因此,他们可以测试更多的想法,同时进行更精确的分析。这会确保其客户获得顶级的发动机可靠性,不论其具体应用或配置如何——有成千上万的可能性。这一切都没有过度设计的部件、产生不必要的复杂性,或规定更短的保养间隔。随着测试与CAE的集成越来越有效,他们可以自信地进入分析主导设计的未来。