道路模拟试验机隔振基础动力特性分析与优化*

2020-11-18刘海潮蒋时军李伟聪万叶青董本勇

机械研究与应用 2020年5期

刘海潮，蒋时军，李伟聪，万叶青，董本勇

(1.中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲 412007； 2.中国汽车工业工程有限公司，天津 300113)

0 引言

道路模拟试验机是通过液压作动器在室内环境下模拟试验场的各种路况，复现车辆实际行驶过程中所承受道路载荷的车辆耐久性试验装置[1]。为减小道路模拟试验机工作干扰力对厂房结构的影响，一般采用弹簧隔振基础。目前针对模拟试验机引起的基础和厂房振动研究较少，但类似动力机器引起的振动研究均可借鉴[2-6]。动力机器引起的结构振动的限值问题，我国基本按照《建筑工程容许振动标准》[7]等规范进行设计。为深入分析道路模拟试验机采用空气弹簧隔振基础后的振动特性，评估其振动安全性，笔者以某工程案例为研究对象，基于液压作动器载荷特性进行动力性分析；结合现场测试对隔振基础最大负载工况进行响应计算和设计参数优化。

1 隔振基础系统模型

1.1 模型分析

道路模拟试验机的组成包括液压作动器及其伺服控制系统、隔振基础、空气弹簧和桩基础。经模型合理假设简化[6]，计算简图见图1。

图1 计算简图

隔振体系为六个自由度，即沿ox、oy和oz坐标轴的线位移x(t)、y(t)和z(t)，以及绕此坐标轴转动的角位移φx(t)、φy(t)和φz(t)。根据达朗贝尔(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为空气弹簧刚度中心至反力基础质心的垂直距离；m为反力基础总质量；Kx、Ky、Kz分别为空气弹簧在x、y和z方向的线刚度；Kφx、Kφy、Kφz分别为空气弹簧绕x、y和z轴转动的角刚度；Jx、Jy、Jz分别为反力基础对于ox、oy和oz轴的的质量惯性矩；c为空气弹簧各向阻尼系数；Px(t)、Py(t)、Pz(t)分别为x、y和z方向的激振力；Mx(t)、My(t)、Mz(t)分别为对x、y和z轴的激振力矩。隔振基础试验原理示意图如图2所示。

图2 隔振基础试验原理示意图

隔振基础在通过其质心的竖向扰力作用下，其竖向振动线位移按下列公式计算：

(7)

式中：Uz为基础质心处的竖向振动线位移；ωnz为基础的竖向固有频率；ω为作动器激振频率；ζz为基础竖向阻尼比。

1.2 载荷分析

液压作动器载荷特性与系统运动部分负载质量和系统加速度特性有关，加速度特性可由三折线对数分析方法得到，振动载荷按照下式计算：

Ft=(ms+mt)·a(f)

(8)

a(f)=

(9)

式中：ms为试验车辆非簧载质量；mt为机械夹具与轮胎托盘质量；a(f)为液压作动器频域振动加速度特性函数。

2 振动响应测试

2.1 试验原理及设备

试验由液压作动器提供试验激振，采用加速度传感器记录隔振基础与桩基地面的加速度信号并转为电信号，经过测控系统输入计算机，再用分析软件进行数据分析。主要测试设备如下。

(1) 数据采集设备：64通道eDAQ数据采集系统。

(2) 道路模拟试验台：MTS 320型4立柱道路模拟试验系统。

(3) 传感器和数据处理软件：①传感器：PCB电容式加速度传感器，量程+/-50 g，频响范围0～1 000 Hz，分辨率0.1 mg；②数据处理软件：nCode。

2.2 振动测试

隔振基础的铸铁平台与反力质量块用高强度锚固件连接，通过两次灌浆调平，其总质量为568.4 t，外形尺寸为13 m×7 m×2.5 m。在隔振器上方的反力基础表面和隔振器下方桩基表面各布置一个加速度传感器，在稳态正弦激励和随机激励条件下测量加速度时域信号，现场测试情况见图3。

图3 现场测试情况

2.3 测试结果

将测得的信号进行时域处理，截取有效时间段数据，采用低通滤波器将数据进行滤波处理，降低数据波动、消除毛刺信号、减少随机误差，得到基础振动加速度时域波形图如图4所示。

图4 各测点垂向振动加速度响应情况

采用合适的带通滤波器将采集振动加速度数据进行滤波处理后，积分得到速度和位移信号，提取所有信号样本函数的最大值[10]，见表1所列。

表1 各测点振动指标最大值统计

由表1知，该型号道路模拟试验机主要表现为竖直方向上的振动，在稳态激励和随机激励条件下，隔振基础顶面的最大垂向加速度分别为0.183 8 m/s2和0.248 6 m/s2；桩基表面的最大垂向加速度分别为0.033 9 m/s2和0.081 5 m/s2，隔振基础顶面的振动加速度为桩基基础表面的3～5倍。可见，空气弹簧隔振系统能有效减小设备振动向外传递，具有良好的隔振效果。

3 振动仿真分析

3.1 建模

建立隔振系统多体动力学建模，液压作动器、铸铁平台与反力质量块进行刚性固定连接；采用BUSHING元件来模拟空气弹簧，连接反力质量块和桩基地面。部件质量、转动惯量等特性参数通过计算获取。动力学仿真模型见图5。

图5 隔振系统动力学仿真模型

隔振基础与空气弹簧主要技术参数见表2所列。

表2 隔振基础与空气弹簧技术参数

3.2 模态分析

通过ADAMS/Vibration模块对隔振系统进行模态计算分析，提取前6阶结构振型及对应的振动频率见表3所列。

表3 振动频率及对应振型

3.3 振动安全性评估

由文献[7]可知，我国对于电液伺服液压振动台基础的容许振动位移峰值为0.1 mm，容许振动速度峰值为10 mm/s，容许振动加速度峰值为0.1 g。道路模拟试验机在最大负载工况下隔振基础的振动响应情况无法直接通过试验获取。

该道路模拟试验机最大负载为28 t，车辆前/后桥最大非簧载质量分别为1 300 kg/1 700 kg，机械夹具与前/后轮胎托盘质量分别为137 kg/202 kg。运用式(8)计算振动载荷，将其作为激励输入动力学模型进行仿真分析，选取隔振基础质心位置作为测量点，将质心加速度响应作为结果输出，仿真结果见图6。

图6 最大负载下隔振系统幅频曲线

由图6知，在最大负载条件下该空气弹簧隔振基础的振动加速度幅值为1.43 m/s2，速度为28.69 mm/s，位移为5.16 mm，均超过了限值，可能在基础设计与施工、弹簧隔振器安装与调校等方面的因素所致。

4 设计参数影响分析

空气弹簧数量、隔振基础与试验车辆的质量比是影响隔振系统动力响应和建设成本的主要影响因素。为此，分别取空气弹簧数量为16、18、20、22、24、28；隔振基础与试验车辆的质量比为15、17、19、21、23、25、27、29的条件下进行振动响应分析，计算结果如表4、5所列。

表4 振动响应随空气弹簧数量变化值

计算结果表明，随着空气弹簧数量的增加，隔振系统振动响应减小，改善效果愈趋于平缓，当空气弹簧数量从现有20组增加到达到28组时，振动响应可降低28.57%；增加质量比也可减小系统振动响应，当质量比由20增至27，即隔振基础质量为756 t时，系统振动加速度值可降低至0.1 g以下。但质量比的增加同时伴随着基坑尺寸及成本大幅度提高，结合经济成本考虑，本文建议质量比设计范围为271。