养护车起吊装置有限元模态分析

张卫亮

（宝鸡文理学院机械工程学院，陕西 宝鸡721016）

0 引言

由于起吊装置在养护过程中使用频率较高，因此起吊过程是否安全可靠对于安全、高效、快速施工至关重要［1－2］。养护车配置的起吊装置多为悬臂梁结构，起吊过程中受起升制动冲击载荷、发电机组振动和起吊重物晃动等复杂工作情况的影响，造成起吊装置在起吊过程中的冲击和振动不可避免。因此，对起吊装置振动特性的研究很有必要。模态分析可以确定系统的固有频率和振型，通过模态分析确定装置振动特性，避免频率接近产生共振［3－4］。

1 起吊装置结构

比较常见的起吊装置有2种：一种是在靠近驾驶室的侧面，另外一种是靠近中间的侧面［1］。图1为以上所述第2种方式，卷扬机的动力由养护车随车配置的发电机组提供，钢丝绳通过5个定滑轮和1个动滑轮穿过起吊立柱，带动吊钩起吊养护设备，起吊装置可以按照俯视图所示虚线进行360°回转［5］。

图1 养护车起吊装置原理

装置下半部分设计较为简单，主要结构为立柱、芯轴、支撑肋板和底板等组成，用螺栓固定在车架之上。上半部分主要由横梁、腹板、短套筒和滑轮等组成，结构和尺寸如图2所示。

图2 动臂、横梁和肋板设计

2 起吊装置模型建立

为了建模方便，对于如上系统作必要简化，忽略钢丝绳结构，通过建立滑轮和受力轴，把载荷加载于横梁之上。建模过程忽略圆角、倒角和尖角，忽略底板上面螺栓孔等因素，在Pro／E环境下，分别建立下底板、立柱、短套筒、腹板、筋板、横梁等零件的三维实体模型，并且装配之后保存为IGS格式。模型下半部分主要零件尺寸是，立柱的高为1 200mm，外径为160mm，内径为140mm；筋板的下边长为130mm，上边长为100mm，高度为300mm，厚度为8mm。

3 模态分析

将以上IGS文件导入ANSYS Workbench软件，模态分析之前需要定义材料属性，包括密度、泊松比和杨氏模量。此外，还需对模型施加边界条件和设置求解阶数［6］。按照表1参数定义材料属性，鉴于在模态分析时候约束添加对于结果影响很大，考虑实际工作情况，添加模型约束为底板固定，由于模态分析不需要添加载荷。因此，载荷不予考虑。

定义材料属性和约束之后，对模型进行网格划分，并设置求解模态为系统的前六阶模态进行求解，计算结果如图3～图8所示。

表1 模型参数

图3 一阶模态

图4 二阶模态

由模态分析结果发现，一阶振型主要是在腹板两侧摆动；二阶振型主要是在上下和前后摆动；三阶振型主要是在腹板两侧摆动；四阶振型主要是在上下方向摆动；五阶振型主要是在腹板两侧摆动；六阶振型主要是在腹板两侧摆动。

对比发现一阶和二阶系统固有频率较为接近，都发生在横梁位置，考虑到高阶振型对于系统影响较小。因此，一阶、二阶频率对结构稳定性影响较大，应该主要考虑。

图5 三阶模态

图6 四阶模态

图7 五阶模态

图8 六阶模态

表3 频率、振型和位移

4 随机振动分析

通过以上分析，得出了起吊装置模态参数，考虑到起吊装置固定在车厢底盘上，在起吊过程中底盘、轮胎、弹簧垫板、起升动载荷等因素的影响，车厢底盘并非刚体，而车厢的振动特性与轮胎等效刚度、弹簧垫板阻尼和等效刚度、养护车型号、起吊重量、起吊动载荷、发电机组振动和非簧载质量等因素有关。实际中受诸多因素的影响这些参数和振动的关系不能用惟一确定的函数式表达。

随机振动分析就是用来解决当系统在随机激励的作用下，基于概率统计学应用功率谱密度对系统输出分析的一种方法。因此，有必要建立底盘模型，对整个系统做随机振动分析。

养护车底盘的1／4简化模型如图9所示，k1为车架弹簧板等效刚度，C1为车架等效阻尼，F1为起吊动载荷，k2为轮胎等效刚度，m1为簧载质量，m2为非簧载质量［7］。

图9 汽车底盘1／4简化模型

弹簧垫板刚度和轮胎刚度，由参考文献［8］和［9］，按照式（1）～（3）计算：

a.弹簧垫板的刚度估算。

n′为板簧端部片数；n为板簧总片数；b板簧宽度；h为板簧高度；E为弹性模量；l板簧长度的1／2。

b.轮胎径向刚度估算。

W 为轮胎载荷；δ为轮胎变形；C1为设计参数（斜交轮胎取1.15，子午轮胎取1.5）；B0为轮胎宽度；D为直径；pi为充气压力单位为kPa；K 为B0的函数，K＝0.015B0＋0.42。

在ADAMS环境下建立起吊过程仿真模型，仿真参数为：k1＝42 350，k2＝614 721，m1＝1 100kg，m2＝600kg，C1＝3 762。

起吊动载荷F1参照参考文献［3］来计算，分为如下5个阶段，第1阶段为钢丝绳绷紧，将重物从车厢上吊起；第2个阶段为重物平稳上升阶段，此阶段重物离开车厢一定高度；第3个阶段为制动和重物下降阶段，重物上升一定高度，停止上升，将重物旋转至车厢侧面；第4个阶段为重物平稳下降阶段；第5个阶段为重物着地。

起升动载荷通过ADAMS自带的IF函数，用嵌套的格式来实现动载荷函数：IF（time－2：2 700－259＊cos（28＊time），2 508，IF（time－7：2 508，1 400－1 144＊cos（28＊time），IF（time－9：1400－1 144＊cos（28＊time），2508，IF（time－34：2 508，0，0））））。

通过ADAMS对振动过程参数进行模拟和提取，为了简化建模过程，①假设底盘运动平行地面；②考虑起吊装置固定于养护车侧面，因此在模型侧面创建起吊立柱和横梁，在横梁顶端加载起吊过程动载荷；③实际工作过程地面和轮胎之间有摩擦，模型不可能出现左右前后晃动，因此给模型添加竖直方向的移动副；④发电机组振动通过修改与车厢线接触的不规则形状凸轮转动来模拟。

由模态分析可知，位移主要发生在Y方向的上下摆动和Z方向腹板两侧摆动。考虑到Z方向可以360°回转，位移可以通过回转来缓冲，外界激励主要影响发生在Y方向，因此谱分析主要对Y方向施加激励参数。输入凸轮的转动频率等于14Hz，即接近起吊系统一阶和二阶固有频率，仿真得到模型在上述参数下运动的加速度曲线。

表3 仿真PSD曲线离散点参数

在ADAMS软件下将加速度曲线转换为PSD曲线，曲线参数按照表4所示的离散点形式添加到Workbench的PSD-Acceleration下作为随机振动分析的激励，可以得到图10、图11模型在Y方向的最大速度为2 837mm／s、最大加速度为128 084 mm／s2，均发生在横梁顶端，由此发现共振对起吊装置正常工作影响很大。

图10 工况二Y方向速度

图11 工况二Y方向加速度

5 结束语

通过以上分析，得到了起吊装置前六阶系统振动特性参数。因此，在安装和设计时候，尽量要使发电机组振动频率和其他外部激励避开上述起吊装置固有频率，如果上述起吊装置频率和外界激励频率接近时，要修改上述模型结构，避免频率相近发生共振，造成结构破坏和事故发生。此外，对模型做了基于概率统计的随机振动分析，分析结果显示外部随机条件变化对起吊装置振动特性影响较大。因此，对养护车配置的发电机组要做减震处理，尽量避免起吊装置在恶劣环境下工作。

［1］ 张军，张卫亮，李锐，等.青藏地区沥青路面多功能养护车吊臂的设计［J］.广西大学学报，2014，39（02）：287-293.

［2］ 马骉，毛雪松，叶敏，等.一种高海拔低温地区沥青路面快速多功能养护车：中国，CN103088746A［P］.013-5-8.

［3］ 曾春.基于ANYSY的桥式起重机桥架结构有限元动态分析研究［D］.武汉：武汉理工大学，2006.

［4］ 张梅军.曹勤.工程机械动力学［M］.北京：国防工业出版社，2012.

［5］ 张卫亮.青藏地区冷补沥青混合料多功能养护设备设计与研究［D］.西安：长安大学，2013.

［6］ 凌桂龙.ANSYS Workbench 15.0从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2014.

［7］ 李元鹏.赵丁选.董绪斌.电液比例控制半主动悬架研究［J］.液压气动与密封，2014（7）：26-27.

［8］ 顾柏良，唐振声.BOSCH汽车工程手册［M］.北京：北京理工出版社.

［9］ 彭莫.宫春峰.汽车轮胎的径向刚度［J］.天津汽车，1994（3）：16-19.