劉海潮，蔣時軍 ，李偉聰，萬葉青，董本勇

(1.中車時代電動汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007； 2.中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113)

0 引 言

道路模擬試驗機是通過液壓作動器在室內(nèi)環(huán)境下模擬試驗場的各種路況，復(fù)現(xiàn)車輛實際行駛過程中所承受道路載荷的車輛耐久性試驗裝置[1]。為減小道路模擬試驗機工作干擾力對廠房結(jié)構(gòu)的影響，一般采用彈簧隔振基礎(chǔ)。目前針對模擬試驗機引起的基礎(chǔ)和廠房振動研究較少，但類似動力機器引起的振動研究均可借鑒[2-6]。動力機器引起的結(jié)構(gòu)振動的限值問題，我國基本按照《建筑工程容許振動標準》[7]等規(guī)范進行設(shè)計。為深入分析道路模擬試驗機采用空氣彈簧隔振基礎(chǔ)后的振動特性，評估其振動安全性，筆者以某工程案例為研究對象，基于液壓作動器載荷特性進行動力性分析；結(jié)合現(xiàn)場測試對隔振基礎(chǔ)最大負載工況進行響應(yīng)計算和設(shè)計參數(shù)優(yōu)化。

1 隔振基礎(chǔ)系統(tǒng)模型

1.1 模型分析

道路模擬試驗機的組成包括液壓作動器及其伺服控制系統(tǒng)、隔振基礎(chǔ)、空氣彈簧和樁基礎(chǔ)。經(jīng)模型合理假設(shè)簡化[6]，計算簡圖見圖1。

圖1 計算簡圖

隔振體系為六個自由度，即沿ox、oy和oz坐標軸的線位移x(t)、y(t)和z(t)，以及繞此坐標軸轉(zhuǎn)動的角位移φx(t)、φy(t)和φz(t)。根據(jù)達朗貝爾(Dalembert)原理，建立平衡方程：

(1)

(2)

h0φy(t)]=Px(t)

(3)

=My(t)

(4)

h0φx(t)]=Py(t)

(5)

=Mx(t)

(6)

式中：h0為空氣彈簧剛度中心至反力基礎(chǔ)質(zhì)心的垂直距離；m為反力基礎(chǔ)總質(zhì)量；Kx、Ky、Kz分別為空氣彈簧在x、y和z方向的線剛度；Kφx、Kφy、Kφz分別為空氣彈簧繞x、y和z軸轉(zhuǎn)動的角剛度；Jx、Jy、Jz分別為反力基礎(chǔ)對于ox、oy和oz軸的的質(zhì)量慣性矩；c為空氣彈簧各向阻尼系數(shù)；Px(t)、Py(t)、Pz(t)分別為x、y和z方向的激振力；Mx(t)、My(t)、Mz(t)分別為對x、y和z軸的激振力矩。隔振基礎(chǔ)試驗原理示意圖如圖2所示。

圖2 隔振基礎(chǔ)試驗原理示意圖

隔振基礎(chǔ)在通過其質(zhì)心的豎向擾力作用下，其豎向振動線位移按下列公式計算：

(7)

式中：Uz為基礎(chǔ)質(zhì)心處的豎向振動線位移；ωnz為基礎(chǔ)的豎向固有頻率；ω為作動器激振頻率；ζz為基礎(chǔ)豎向阻尼比。

1.2 載荷分析

液壓作動器載荷特性與系統(tǒng)運動部分負載質(zhì)量和系統(tǒng)加速度特性有關(guān)，加速度特性可由三折線對數(shù)分析方法得到，振動載荷按照下式計算：

Ft=(ms+mt)·a(f)

(8)

a(f)=

(9)

式中：ms為試驗車輛非簧載質(zhì)量；mt為機械夾具與輪胎托盤質(zhì)量；a(f)為液壓作動器頻域振動加速度特性函數(shù)。

2 振動響應(yīng)測試

2.1 試驗原理及設(shè)備

試驗由液壓作動器提供試驗激振，采用加速度傳感器記錄隔振基礎(chǔ)與樁基地面的加速度信號并轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過測控系統(tǒng)輸入計算機，再用分析軟件進行數(shù)據(jù)分析。主要測試設(shè)備如下。

(1) 數(shù)據(jù)采集設(shè)備：64通道eDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

(2) 道路模擬試驗臺：MTS 320型4立柱道路模擬試驗系統(tǒng)。

(3) 傳感器和數(shù)據(jù)處理軟件：①傳感器：PCB電容式加速度傳感器，量程+/-50 g，頻響范圍0～1 000 Hz，分辨率0.1 mg；②數(shù)據(jù)處理軟件：nCode。

2.2 振動測試

隔振基礎(chǔ)的鑄鐵平臺與反力質(zhì)量塊用高強度錨固件連接，通過兩次灌漿調(diào)平，其總質(zhì)量為568.4 t，外形尺寸為13 m×7 m×2.5 m。在隔振器上方的反力基礎(chǔ)表面和隔振器下方樁基表面各布置一個加速度傳感器，在穩(wěn)態(tài)正弦激勵和隨機激勵條件下測量加速度時域信號，現(xiàn)場測試情況見圖3。

圖3 現(xiàn)場測試情況

2.3 測試結(jié)果

將測得的信號進行時域處理，截取有效時間段數(shù)據(jù)，采用低通濾波器將數(shù)據(jù)進行濾波處理，降低數(shù)據(jù)波動、消除毛刺信號、減少隨機誤差，得到基礎(chǔ)振動加速度時域波形圖如圖4所示。

圖4 各測點垂向振動加速度響應(yīng)情況

采用合適的帶通濾波器將采集振動加速度數(shù)據(jù)進行濾波處理后，積分得到速度和位移信號，提取所有信號樣本函數(shù)的最大值[10]，見表1所列。

表1 各測點振動指標最大值統(tǒng)計

由表1知，該型號道路模擬試驗機主要表現(xiàn)為豎直方向上的振動，在穩(wěn)態(tài)激勵和隨機激勵條件下，隔振基礎(chǔ)頂面的最大垂向加速度分別為0.183 8 m/s2和0.248 6 m/s2；樁基表面的最大垂向加速度分別為0.033 9 m/s2和0.081 5 m/s2，隔振基礎(chǔ)頂面的振動加速度為樁基基礎(chǔ)表面的3～5倍?？梢?，空氣彈簧隔振系統(tǒng)能有效減小設(shè)備振動向外傳遞，具有良好的隔振效果。

3 振動仿真分析

3.1 建 模

建立隔振系統(tǒng)多體動力學建模，液壓作動器、鑄鐵平臺與反力質(zhì)量塊進行剛性固定連接；采用BUSHING元件來模擬空氣彈簧，連接反力質(zhì)量塊和樁基地面。部件質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等特性參數(shù)通過計算獲取。動力學仿真模型見圖5。

圖5 隔振系統(tǒng)動力學仿真模型

隔振基礎(chǔ)與空氣彈簧主要技術(shù)參數(shù)見表2所列。

表2 隔振基礎(chǔ)與空氣彈簧技術(shù)參數(shù)

3.2 模態(tài)分析

通過ADAMS/Vibration模塊對隔振系統(tǒng)進行模態(tài)計算分析，提取前6階結(jié)構(gòu)振型及對應(yīng)的振動頻率見表3所列。

表3 振動頻率及對應(yīng)振型

3.3 振動安全性評估

由文獻[7]可知，我國對于電液伺服液壓振動臺基礎(chǔ)的容許振動位移峰值為0.1 mm，容許振動速度峰值為10 mm/s，容許振動加速度峰值為0.1 g。道路模擬試驗機在最大負載工況下隔振基礎(chǔ)的振動響應(yīng)情況無法直接通過試驗獲取。

該道路模擬試驗機最大負載為28 t，車輛前/后橋最大非簧載質(zhì)量分別為1 300 kg/1 700 kg，機械夾具與前/后輪胎托盤質(zhì)量分別為137 kg/202 kg。運用式(8)計算振動載荷，將其作為激勵輸入動力學模型進行仿真分析，選取隔振基礎(chǔ)質(zhì)心位置作為測量點，將質(zhì)心加速度響應(yīng)作為結(jié)果輸出，仿真結(jié)果見圖6。

圖6 最大負載下隔振系統(tǒng)幅頻曲線

由圖6知，在最大負載條件下該空氣彈簧隔振基礎(chǔ)的振動加速度幅值為1.43 m/s2，速度為28.69 mm/s，位移為5.16 mm，均超過了限值，可能在基礎(chǔ)設(shè)計與施工、彈簧隔振器安裝與調(diào)校等方面的因素所致。

4 設(shè)計參數(shù)影響分析

空氣彈簧數(shù)量、隔振基礎(chǔ)與試驗車輛的質(zhì)量比是影響隔振系統(tǒng)動力響應(yīng)和建設(shè)成本的主要影響因素。為此，分別取空氣彈簧數(shù)量為16、18、20、22、24、28；隔振基礎(chǔ)與試驗車輛的質(zhì)量比為15、17、19、21、23、25、27、29的條件下進行振動響應(yīng)分析，計算結(jié)果如表4、5所列。

表4 振動響應(yīng)隨空氣彈簧數(shù)量變化值

計算結(jié)果表明，隨著空氣彈簧數(shù)量的增加，隔振系統(tǒng)振動響應(yīng)減小，改善效果愈趨于平緩，當空氣彈簧數(shù)量從現(xiàn)有20組增加到達到28組時，振動響應(yīng)可降低28.57%；增加質(zhì)量比也可減小系統(tǒng)振動響應(yīng)，當質(zhì)量比由20增至27，即隔振基礎(chǔ)質(zhì)量為756 t時，系統(tǒng)振動加速度值可降低至0.1 g以下。但質(zhì)量比的增加同時伴隨著基坑尺寸及成本大幅度提高，結(jié)合經(jīng)濟成本考慮，本文建議質(zhì)量比設(shè)計范圍為271。

表5 振動響應(yīng)隨質(zhì)量比變化值

5 結(jié) 語

文中通過對道路模擬試驗機隔振基礎(chǔ)現(xiàn)場振動測試，基于液壓作動器的載荷特性，研究空氣彈簧隔振基礎(chǔ)道路模擬試驗機的動力特性，并對重要設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化分析。結(jié)論如下。

(1) 空氣彈簧隔振基礎(chǔ)頂面的振動加速度為樁基基礎(chǔ)表面的3～5倍，表明它具有較好的隔振效果，能有效減小設(shè)備振動向外傳遞。

(2) 適當增加空氣彈簧數(shù)量、隔振基礎(chǔ)與試驗車輛的質(zhì)量比均可減小隔振系統(tǒng)振動響應(yīng)，但隨著彈簧數(shù)量或質(zhì)量比的增加，建設(shè)成本亦成比例增加，而改善效果卻趨于平緩，建設(shè)時需合理的選擇空氣彈簧數(shù)量和質(zhì)量比，以達到性價比最優(yōu)的目的。

(3) 目前國內(nèi)對于電液伺服液壓振動臺的振動限值是針對于大塊式剛性基礎(chǔ)而制定的，柔性隔振基礎(chǔ)的容許振動標準需進一步研究。