周新濤,崔亞輝,馬 娜

(西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

礦用自卸車在路況條件非常復(fù)雜的礦區(qū)工作,如路面凸凹不平、石塊障礙物多、多彎和多坡道等情況,其運行條件極其惡劣[1-2].車輛在運行過程中,當(dāng)外激勵的振動頻率與懸置系統(tǒng)的固有頻率相接近時,將會產(chǎn)生共振,從而使駕駛室的駕乘舒適性大幅度降低[3].駕乘人員若長時間置身于振動幅度較大的環(huán)境中,極易疲勞,進(jìn)而影響到車輛駕駛的安全性[4].因此,近年來車企、學(xué)者等對礦用車輛駕駛室駕乘舒適性問題都十分關(guān)注.

當(dāng)前,為了解決礦用自卸車駕駛室懸置系統(tǒng)隔振性差的問題,通常情況下廣泛采用被動隔振的方式來改善駕駛室駕乘的舒適性.如采用理論模擬仿真的方式來分析駕駛室系統(tǒng)的振動情況,然后根據(jù)分析結(jié)果來指導(dǎo)減振系統(tǒng)的改進(jìn)[5-6].該方法在實際使用過程中,對某些礦用車輛駕駛室振動系統(tǒng)的改進(jìn)有一定的指導(dǎo)意義.但車輛在礦區(qū)行駛的環(huán)境復(fù)雜多變,理論仿真與實際運行情況差距較大,故該方法難以從根本上解決駕駛室振動問題.另外一種途徑是采用實際測試法,根據(jù)礦用自卸車的實際運行工況,真實地測量出各懸置系統(tǒng)的振動特征信號.之后,對實測振動信號進(jìn)行深入分析,找出影響礦用自卸車駕駛室舒適性差的根本原因,進(jìn)而指導(dǎo)駕駛室減振系統(tǒng)的改進(jìn)[7-9].在復(fù)雜多變的環(huán)境中進(jìn)行試驗測試,所獲得的信號將會被周圍的干擾信號嚴(yán)重污染,若只按照傳統(tǒng)方法對被測信號進(jìn)行處理,不能完全消除干擾信號,有用的信號會被削弱,導(dǎo)致后續(xù)對車輛駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化后的減振效果不明顯或優(yōu)化失敗等結(jié)果.

本文將會在上述研究的基礎(chǔ)上，采用有效的方法,對礦用自卸車駕駛室懸置系統(tǒng)的振動特性進(jìn)行研究.首先,通過實測試驗得出礦用自卸車駕駛室各懸置系統(tǒng)的振動信號,采用多尺度排列熵(Multiscale Permutation Entropy,MPE)法對獲得的被測信號進(jìn)行深入處理,消除干擾信號從而保證被測信號的純度;然后,通過對有效信號的頻譜分析和振動能量傳遞路徑分析找出問題,優(yōu)化駕駛室懸置系統(tǒng)相關(guān)的減振特性參數(shù),使駕駛室的駕乘舒適性達(dá)到最佳狀態(tài).

1 振動特征分析理論

先簡單介紹MPE的計算原理和分析方法,為后續(xù)對礦用自卸車駕駛室懸置系統(tǒng)振動實測信號的預(yù)處理及懸置振動特征提取作為理論支撐.

1.1 奇異值分解理論

奇異值分解[10](Singular Value Decomposition,SVD)的實質(zhì)是將實測信號進(jìn)行正交變換,對信號中的高頻隨機噪聲有很好的過濾效果.SVD法所得到的矩陣奇異值具有唯一性、穩(wěn)定性和比例不變性等性質(zhì),其變換關(guān)系式為

(1)

式中:U和V為變換后的正交矩陣;S為奇異值矩陣.

1.2 排列熵算法理論

排列熵(Permutation Entropy,PE)法是由Bandt等[11]提出,常用于定量描述一維時間序列復(fù)雜程度的非線性指標(biāo),具有計算簡單、抗噪聲能力強、分析時所需時間序列短等優(yōu)點.PE法的計算關(guān)系為

(2)

式中:m為時間序列的嵌入維數(shù);τ為延遲時間;T(ω)為任意一種排列方式ω出現(xiàn)的相對頻次;N為原始時間序列的尺度.

由式(2)可以得出,序列復(fù)雜程度越低,排列熵值越小;反之,排列熵值就越大.PE法能用序列排列方式的變化放大信號中的細(xì)微波動,從而反映信號中的異常情況.

1.3 MPE法理論

MPE法的概念是由Aziz等[12]在多尺度算法的基礎(chǔ)上提出來的,也是后續(xù)采用多尺度算法和排列熵算法相結(jié)合的產(chǎn)物.MPE法的計算本質(zhì),是將原始時間序列按順序粗?；囊环N處理方式,從而構(gòu)建出一個新的時間序列,其操作過程如表1所示.

表1 多尺度時間序列粗?；幚碓鞹ab.1 Principle of coarse granulation of multi-scale time series

由表1所示的計算原理,對一組原始時間序列進(jìn)行粗?；幚?可得出新構(gòu)建的時間序列的平均值計算關(guān)系式為

(3)

式中:λ為尺度因子.

2 道路測試及結(jié)果分析

2.1 實車測試

根據(jù)礦區(qū)用戶反饋,該礦用自卸車在某路面某車速下,駕駛室本體振動幅度過大,嚴(yán)重影響到駕駛室的駕乘舒適性.為此,需要對該車進(jìn)行實測摸底試驗,但在礦用自卸車行業(yè)的相關(guān)領(lǐng)域中,對該類車輛的道路試驗時測試軟件常采用的是C級隨機路面激勵，而礦區(qū)實際的路面情況與軟件所采用的路面激勵有較大差距,從而對后續(xù)駕駛室懸置系統(tǒng)的振動分析有很大影響.因此,本文在道路試驗時,根據(jù)非公路礦用車運行的實際情況和標(biāo)準(zhǔn)[13-14],選用礦用自卸車常用實際工況下測試的振動數(shù)據(jù)分析,故本次分析結(jié)果更具有實際指導(dǎo)意義.本次測試選用的場地如圖1所示.

圖1 礦區(qū)試驗場地Fig.1 The mine test site

本次道路試驗所采用的主要設(shè)備為LMS振動數(shù)據(jù)采集與分析儀,以及多軸向振動加速度傳感器.試驗工況[15]為:礦車滿載100 t,測試車速10,20,30和40 km/h 4種常用車速.測點分別布置在板簧、車架、駕駛室懸置、駕駛室地面(腳墊)和座椅支撐面(座墊)等位置處.在每個工況下分別進(jìn)行2次測試,以確保測試后獲得的信號正常有效.

2.2 測試數(shù)據(jù)的MPE法分析

由于在環(huán)境復(fù)雜的礦區(qū)試驗,所測得的試驗信號已受到多種干擾信號的影響,如路面隨機信號、發(fā)動機輸出的高頻信號、傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的振動信號和其他結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生的噪聲等,嚴(yán)重影響到振動分析信號的純度.同時,在整個時間序列上,這些振動信號之間的振動特征存在復(fù)雜的多尺度耦合現(xiàn)象,使得對駕駛室本體振動特征提取及分析的難度大大增加.本文采用MPE法,能去除信號中的干擾因素,反映出系統(tǒng)振動真實的本質(zhì).

2.2.1測試數(shù)據(jù)的SVD法降噪處理

本次測試布置的測點較多,其座椅座墊處、腳墊處的測點直接與人的身體接觸,此處的振動情況將直接影響到駕乘的舒適性.本節(jié)以礦用車最常用的速度20 km/h情況下，座椅座墊處的振動情況為例.如圖2所示座椅處的振動情況,其各方向處的振動加速度數(shù)據(jù)與其他形式的振動信號高度耦合,從而將座椅處振動特征的本質(zhì)給淹沒了.故對此測點處的振動特征分析前,先將測試信號進(jìn)行必要的降噪處理.

圖2 20 km/h時座椅處實測振動加速度時域圖Fig.2 The time-domain graph of vibration acceleration at 20 km/h

依據(jù)SVD原理,將本次所測得的振動信號進(jìn)行降噪處理.過濾掉噪聲等干擾信號后,利用SVD的逆運算重構(gòu)振動相空間矩陣,該矩陣就是降噪后振動信號的最佳逼近矩陣.

如圖3所示,通過對測試信號進(jìn)行SVD后,得出在4種車速下座椅處振動的奇異值,以此判斷噪聲信號所在的相空間.從圖3中可以得出座椅處在X,Y,Z方向的奇異值分布情況大致相同,從一個最大值處大幅度下降,當(dāng)奇異值為2.15以后其值逐漸趨于0.說明奇異值為2.15處是有效信號和噪聲信號的過渡處,將保留有效信號,并將噪聲信號的奇異值全部置成0以達(dá)到降噪目的.

根據(jù)信號降噪的原理,SVD降噪的關(guān)鍵為找出奇異值的峰值,因此，選擇峰值前的R個奇異值對振動信號進(jìn)行重構(gòu).為了準(zhǔn)確地描述奇異值序列的變化規(guī)律,需將奇異值序列進(jìn)行差分譜的計算,找出奇異值差分譜序列的最大值.該值所對應(yīng)的維數(shù)就是振動信號重構(gòu)的階數(shù).再經(jīng)過多次試算與調(diào)整,確定了各類參數(shù)值,得出了座椅處在X,Y,Z方向上奇異值差分譜的變化規(guī)律,如圖4所示.由此,可以準(zhǔn)確得出振動信號重構(gòu)的階數(shù).

圖3 座椅處振動信號奇異值的分布圖Fig.3 Distribution graph of singular value of vibration signal in seat

圖4 座椅處振動信號奇異值差分譜的分布圖Fig.4 The distribution graph of differential spectrum of singular value for vibration signal in seat

將被測振動信號經(jīng)SVD后,剔除噪聲等干擾信號.再通過奇異值差分譜分析,確定了振動信號重構(gòu)階數(shù),并按該階數(shù)將信號重構(gòu)，為后續(xù)的振動分析作基礎(chǔ).降噪后重構(gòu)的信號如圖5所示.

2.2.2振動數(shù)據(jù)的MPE法分析

將降噪后的信號進(jìn)行MPE分析,得出座椅處X,Y,Z方向上的熵值分布情況.隨著尺度增加,熵值也在不斷增大.說明座椅處的振動情況,隨著尺度因子的增大而惡化,該處的振動情況越復(fù)雜,振動源的激勵形式也呈多樣化.如圖6所示:當(dāng)車速在30 km/h以下時,X方向處熵值變化的規(guī)律大致相同;當(dāng)車速在40 km/h時,X方向處熵值的變化幅度最小,波動較為平穩(wěn).Y方向處熵值,受車速變化情況的影響程度最大.Z方向上熵值的波動規(guī)律與X方向處的基本相同.

圖5 20 km/h時座椅處經(jīng)SVD降噪后的振動加速度時域圖Fig.5 The SVD de-noised for the time-domain graph of vibration acceleration in seat at 20 km/h

圖6 座椅處經(jīng)SVD降噪后的MPE特征關(guān)系圖Fig.6 The MPE feature graph of seat after SVD noise reduction

3 座椅坐墊處的頻響分析

在駕駛室與駕乘人員振動響應(yīng)系統(tǒng)中,主要考慮駕乘人員對振動最敏感的頻段[16].人體最敏感頻率為:垂直方向的頻率為4 Hz,前后方向的頻率為0.629 5 Hz,左右方向的頻率為0.652 Hz.根據(jù)文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)中給出的權(quán)值,將這3個方向上頻率加權(quán)后得出0～20 Hz范圍.當(dāng)人體暴露在這些頻段附近時,即使暴露的時間較短,也會感覺到十分不適.而當(dāng)頻率在0.5 Hz以下的低頻高振幅的環(huán)境中,將會對人體產(chǎn)生較大的機械損傷,如扭傷、碰傷等情況.

如圖7所示:當(dāng)車速在10 km/h、20 km/h時,座椅處X,Y,Z方向的頻率均在0～20 Hz的范圍內(nèi),且座椅處水平方向的振動比垂直方向的復(fù)雜很多;當(dāng)車速在30 km/h時,座椅處水平方向的振動能量較小,垂直方向的振動能量較大(即上下顛簸幅度較大);當(dāng)車速在40 km/h時,座椅處水平振動頻率增大,Z方向的振動頻率較小.對座椅3個坐標(biāo)方向上的振動頻率分析,得出的振動響應(yīng)與上述振動熵值分析的結(jié)果相近.

4 駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化

通過上節(jié)頻響分析,得出座椅處的振頻剛好落在0～20 Hz范圍內(nèi),導(dǎo)致駕駛室駕乘平順性較差,故需要對該車駕駛室懸置系統(tǒng)的減振性能進(jìn)行優(yōu)化.由于駕駛室及其他部件的布置位置較為緊湊,懸置系統(tǒng)的安裝區(qū)域較小,若重新設(shè)計懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),此法就難以實現(xiàn),并且受周期長、成本增加等因素的制約.因此,本文在優(yōu)化懸置系統(tǒng)的減振性能時,主要從懸置支撐剛度和阻尼參數(shù)匹配兩方面入手.

按照特定的設(shè)計準(zhǔn)則多次調(diào)整匹配和試算驗證,得出駕駛室懸置系統(tǒng)的一組較為理想剛度和阻尼參數(shù).根據(jù)這組參數(shù)重新裝配好懸置系統(tǒng),再按上述相同的方法與條件進(jìn)行實測,得出駕駛室座椅處的振動響應(yīng)情況,如圖8所示.通過對圖7與圖8對比分析,得出優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)的峰值頻率范圍,整體向后推移到22～45 Hz內(nèi),能有效地避開人體對振動最敏感的頻段.

圖7 座椅處經(jīng)SVD降噪后的頻響特性關(guān)系圖Fig.7 Relationship graph of frequency response characteristics of seat after SVD noise reduction

圖8 座椅處經(jīng)SVD降噪優(yōu)化后的頻響特性關(guān)系圖Fig.8 The graph of optimization frequency response characteristics of the seat after SVD noise reduction

5 結(jié)論

本文根據(jù)礦用自卸車工作時,駕駛室振動幅度較大的問題,采用試驗測試法優(yōu)化其懸置系統(tǒng)的減振特性.通過本研究得出如下幾點結(jié)論:① 依據(jù)礦用自卸車的工作工況和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對該車駕駛室的振動情況進(jìn)行了摸底試驗,得出了駕駛室座椅處的振動特性;② 采用SVD將被測振動信號進(jìn)行了奇異值和奇異值差分譜計算,根據(jù)其計算結(jié)果重構(gòu)出無噪聲及干擾的真實特征信號(即信號的降噪處理);③ 將降噪后座椅處的信號進(jìn)行MPE分析,得出該處X,Y,Z方向上的熵值分布情況;④ 在上述基礎(chǔ)上,對座椅處在不同車速下的振動情況進(jìn)行頻響分析,得出該處的頻響特性剛好處在人體敏感的區(qū)間范圍內(nèi);⑤ 結(jié)合該車駕駛室懸置系統(tǒng)的實際安裝情況,對懸置系統(tǒng)的減振性進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后懸置系統(tǒng)的減振效果較好.