養(yǎng)護(hù)車起吊裝置有限元模態(tài)分析

張衛(wèi)亮

（寶雞文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 寶雞721016）

0 引言

由于起吊裝置在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中使用頻率較高，因此起吊過(guò)程是否安全可靠對(duì)于安全、高效、快速施工至關(guān)重要［1－2］。養(yǎng)護(hù)車配置的起吊裝置多為懸臂梁結(jié)構(gòu)，起吊過(guò)程中受起升制動(dòng)沖擊載荷、發(fā)電機(jī)組振動(dòng)和起吊重物晃動(dòng)等復(fù)雜工作情況的影響，造成起吊裝置在起吊過(guò)程中的沖擊和振動(dòng)不可避免。因此，對(duì)起吊裝置振動(dòng)特性的研究很有必要。模態(tài)分析可以確定系統(tǒng)的固有頻率和振型，通過(guò)模態(tài)分析確定裝置振動(dòng)特性，避免頻率接近產(chǎn)生共振［3－4］。

1 起吊裝置結(jié)構(gòu)

比較常見(jiàn)的起吊裝置有2種：一種是在靠近駕駛室的側(cè)面，另外一種是靠近中間的側(cè)面［1］。圖1為以上所述第2種方式，卷?yè)P(yáng)機(jī)的動(dòng)力由養(yǎng)護(hù)車隨車配置的發(fā)電機(jī)組提供，鋼絲繩通過(guò)5個(gè)定滑輪和1個(gè)動(dòng)滑輪穿過(guò)起吊立柱，帶動(dòng)吊鉤起吊養(yǎng)護(hù)設(shè)備，起吊裝置可以按照俯視圖所示虛線進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)［5］。

圖1 養(yǎng)護(hù)車起吊裝置原理

裝置下半部分設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，主要結(jié)構(gòu)為立柱、芯軸、支撐肋板和底板等組成，用螺栓固定在車架之上。上半部分主要由橫梁、腹板、短套筒和滑輪等組成，結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2所示。

圖2 動(dòng)臂、橫梁和肋板設(shè)計(jì)

2 起吊裝置模型建立

為了建模方便，對(duì)于如上系統(tǒng)作必要簡(jiǎn)化，忽略鋼絲繩結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立滑輪和受力軸，把載荷加載于橫梁之上。建模過(guò)程忽略圓角、倒角和尖角，忽略底板上面螺栓孔等因素，在Pro／E環(huán)境下，分別建立下底板、立柱、短套筒、腹板、筋板、橫梁等零件的三維實(shí)體模型，并且裝配之后保存為IGS格式。模型下半部分主要零件尺寸是，立柱的高為1 200mm，外徑為160mm，內(nèi)徑為140mm；筋板的下邊長(zhǎng)為130mm，上邊長(zhǎng)為100mm，高度為300mm，厚度為8mm。

3 模態(tài)分析

將以上IGS文件導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件，模態(tài)分析之前需要定義材料屬性，包括密度、泊松比和楊氏模量。此外，還需對(duì)模型施加邊界條件和設(shè)置求解階數(shù)［6］。按照表1參數(shù)定義材料屬性，鑒于在模態(tài)分析時(shí)候約束添加對(duì)于結(jié)果影響很大，考慮實(shí)際工作情況，添加模型約束為底板固定，由于模態(tài)分析不需要添加載荷。因此，載荷不予考慮。

定義材料屬性和約束之后，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置求解模態(tài)為系統(tǒng)的前六階模態(tài)進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)果如圖3～圖8所示。

表1 模型參數(shù)

圖3 一階模態(tài)

圖4 二階模態(tài)

由模態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一階振型主要是在腹板兩側(cè)擺動(dòng)；二階振型主要是在上下和前后擺動(dòng)；三階振型主要是在腹板兩側(cè)擺動(dòng)；四階振型主要是在上下方向擺動(dòng)；五階振型主要是在腹板兩側(cè)擺動(dòng)；六階振型主要是在腹板兩側(cè)擺動(dòng)。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)一階和二階系統(tǒng)固有頻率較為接近，都發(fā)生在橫梁位置，考慮到高階振型對(duì)于系統(tǒng)影響較小。因此，一階、二階頻率對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較大，應(yīng)該主要考慮。

圖5 三階模態(tài)

圖6 四階模態(tài)

圖7 五階模態(tài)

圖8 六階模態(tài)

表3 頻率、振型和位移

4 隨機(jī)振動(dòng)分析

通過(guò)以上分析，得出了起吊裝置模態(tài)參數(shù)，考慮到起吊裝置固定在車廂底盤上，在起吊過(guò)程中底盤、輪胎、彈簧墊板、起升動(dòng)載荷等因素的影響，車廂底盤并非剛體，而車廂的振動(dòng)特性與輪胎等效剛度、彈簧墊板阻尼和等效剛度、養(yǎng)護(hù)車型號(hào)、起吊重量、起吊動(dòng)載荷、發(fā)電機(jī)組振動(dòng)和非簧載質(zhì)量等因素有關(guān)。實(shí)際中受諸多因素的影響這些參數(shù)和振動(dòng)的關(guān)系不能用惟一確定的函數(shù)式表達(dá)。

隨機(jī)振動(dòng)分析就是用來(lái)解決當(dāng)系統(tǒng)在隨機(jī)激勵(lì)的作用下，基于概率統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用功率譜密度對(duì)系統(tǒng)輸出分析的一種方法。因此，有必要建立底盤模型，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做隨機(jī)振動(dòng)分析。

養(yǎng)護(hù)車底盤的1／4簡(jiǎn)化模型如圖9所示，k1為車架彈簧板等效剛度，C1為車架等效阻尼，F(xiàn)1為起吊動(dòng)載荷，k2為輪胎等效剛度，m1為簧載質(zhì)量，m2為非簧載質(zhì)量［7］。

圖9 汽車底盤1／4簡(jiǎn)化模型

彈簧墊板剛度和輪胎剛度，由參考文獻(xiàn)［8］和［9］，按照式（1）～（3）計(jì)算：

a.彈簧墊板的剛度估算。

n′為板簧端部片數(shù)；n為板簧總片數(shù)；b板簧寬度；h為板簧高度；E為彈性模量；l板簧長(zhǎng)度的1／2。

b.輪胎徑向剛度估算。

W 為輪胎載荷；δ為輪胎變形；C1為設(shè)計(jì)參數(shù)（斜交輪胎取1.15，子午輪胎取1.5）；B0為輪胎寬度；D為直徑；pi為充氣壓力單位為kPa；K 為B0的函數(shù)，K＝0.015B0＋0.42。

在ADAMS環(huán)境下建立起吊過(guò)程仿真模型，仿真參數(shù)為：k1＝42 350，k2＝614 721，m1＝1 100kg，m2＝600kg，C1＝3 762。

起吊動(dòng)載荷F1參照參考文獻(xiàn)［3］來(lái)計(jì)算，分為如下5個(gè)階段，第1階段為鋼絲繩繃緊，將重物從車廂上吊起；第2個(gè)階段為重物平穩(wěn)上升階段，此階段重物離開(kāi)車廂一定高度；第3個(gè)階段為制動(dòng)和重物下降階段，重物上升一定高度，停止上升，將重物旋轉(zhuǎn)至車廂側(cè)面；第4個(gè)階段為重物平穩(wěn)下降階段；第5個(gè)階段為重物著地。

起升動(dòng)載荷通過(guò)ADAMS自帶的IF函數(shù)，用嵌套的格式來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)載荷函數(shù)：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））））。

通過(guò)ADAMS對(duì)振動(dòng)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行模擬和提取，為了簡(jiǎn)化建模過(guò)程，①假設(shè)底盤運(yùn)動(dòng)平行地面；②考慮起吊裝置固定于養(yǎng)護(hù)車側(cè)面，因此在模型側(cè)面創(chuàng)建起吊立柱和橫梁，在橫梁頂端加載起吊過(guò)程動(dòng)載荷；③實(shí)際工作過(guò)程地面和輪胎之間有摩擦，模型不可能出現(xiàn)左右前后晃動(dòng)，因此給模型添加豎直方向的移動(dòng)副；④發(fā)電機(jī)組振動(dòng)通過(guò)修改與車廂線接觸的不規(guī)則形狀凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)模擬。

由模態(tài)分析可知，位移主要發(fā)生在Y方向的上下擺動(dòng)和Z方向腹板兩側(cè)擺動(dòng)。考慮到Z方向可以360°回轉(zhuǎn)，位移可以通過(guò)回轉(zhuǎn)來(lái)緩沖，外界激勵(lì)主要影響發(fā)生在Y方向，因此譜分析主要對(duì)Y方向施加激勵(lì)參數(shù)。輸入凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率等于14Hz，即接近起吊系統(tǒng)一階和二階固有頻率，仿真得到模型在上述參數(shù)下運(yùn)動(dòng)的加速度曲線。

表3 仿真PSD曲線離散點(diǎn)參數(shù)

在ADAMS軟件下將加速度曲線轉(zhuǎn)換為PSD曲線，曲線參數(shù)按照表4所示的離散點(diǎn)形式添加到Workbench的PSD-Acceleration下作為隨機(jī)振動(dòng)分析的激勵(lì)，可以得到圖10、圖11模型在Y方向的最大速度為2 837mm／s、最大加速度為128 084 mm／s2，均發(fā)生在橫梁頂端，由此發(fā)現(xiàn)共振對(duì)起吊裝置正常工作影響很大。

圖10 工況二Y方向速度

圖11 工況二Y方向加速度

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析，得到了起吊裝置前六階系統(tǒng)振動(dòng)特性參數(shù)。因此，在安裝和設(shè)計(jì)時(shí)候，盡量要使發(fā)電機(jī)組振動(dòng)頻率和其他外部激勵(lì)避開(kāi)上述起吊裝置固有頻率，如果上述起吊裝置頻率和外界激勵(lì)頻率接近時(shí)，要修改上述模型結(jié)構(gòu)，避免頻率相近發(fā)生共振，造成結(jié)構(gòu)破壞和事故發(fā)生。此外，對(duì)模型做了基于概率統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)振動(dòng)分析，分析結(jié)果顯示外部隨機(jī)條件變化對(duì)起吊裝置振動(dòng)特性影響較大。因此，對(duì)養(yǎng)護(hù)車配置的發(fā)電機(jī)組要做減震處理，盡量避免起吊裝置在惡劣環(huán)境下工作。

［1］ 張軍，張衛(wèi)亮，李銳，等.青藏地區(qū)瀝青路面多功能養(yǎng)護(hù)車吊臂的設(shè)計(jì)［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，39（02）：287-293.

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［4］ 張梅軍.曹勤.工程機(jī)械動(dòng)力學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

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［6］ 凌桂龍.ANSYS Workbench 15.0從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

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