基于工程混凝土攪拌車(chē)平順性建模與分析研究

三一重工股份有限公司 宋立霞 方傳青

針對(duì)某新開(kāi)發(fā)的大方量工程攪拌車(chē)，通過(guò)建立整車(chē)虛擬樣機(jī)模型、試驗(yàn)路譜，研究整車(chē)在不同路面、不同工況下的振動(dòng)特性，并通過(guò)與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，建立一套針對(duì)工程車(chē)輛整車(chē)平順性分析評(píng)價(jià)方法，為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

一、引言

隨著工程機(jī)械的發(fā)展，國(guó)家混凝土政策的施行，為實(shí)現(xiàn)混凝土較長(zhǎng)時(shí)間，較遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，混凝土攪拌車(chē)被大量的使用，尤其是大方量的攪拌車(chē)市場(chǎng)需求量較大。同時(shí)混凝土攪拌車(chē)長(zhǎng)期在重載、振動(dòng)與沖擊載荷下工作而且工作條件比較惡劣，所以對(duì)攪拌車(chē)平順性研究顯得尤為重要。

二、分析技術(shù)路線

以試驗(yàn)結(jié)果為判斷標(biāo)準(zhǔn)，以仿真分析為指導(dǎo)，試驗(yàn)仿真相結(jié)合，構(gòu)建整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型和強(qiáng)化路面模型，控制整車(chē)在強(qiáng)化路面以50km/h、60km/h兩種速度下進(jìn)行仿真，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，分析修正輪胎、鋼板彈簧及減震器等元件的非線性參數(shù)，建立與實(shí)際接近的整車(chē)動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ?，?yàn)證分析其平順性性能，為指導(dǎo)改進(jìn)攪拌車(chē)設(shè)計(jì)，提供改進(jìn)建議。

三、仿真模型的建立

分析模型建立主要包括整車(chē)系統(tǒng)模型與各路譜模型，即車(chē)-路系統(tǒng)。建立準(zhǔn)確的車(chē)-路系統(tǒng)模型必須通過(guò)試驗(yàn)獲得各子系統(tǒng)準(zhǔn)確的物體參數(shù)數(shù)據(jù)，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)慕７椒?、施加正確的載荷條件，才能建立可靠的虛擬模型。

圖1 技術(shù)路線

1.整車(chē)參數(shù)

簡(jiǎn)化后的分析模型主要包括：駕駛室、車(chē)架、攪拌筒前后臺(tái)、攪拌筒、減速機(jī)、一橋、二橋、中后橋和平衡懸架系統(tǒng)等。

整車(chē)基本參數(shù)如表1所示、主要部件的質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如表2所示；其中，選取一橋中性平面、車(chē)架上端面、車(chē)架中性平面的交點(diǎn)為原點(diǎn)，車(chē)右為X向，車(chē)前為Y向，車(chē)頂為Z向。

表1 攪拌車(chē)整車(chē)基本參數(shù)

表2 主要部件件質(zhì)量、質(zhì)心位置及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表

2.各子系統(tǒng)建模

車(chē)-路系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模主要包括前后板簧、減震器、輪胎、路面子系統(tǒng)。

（1）前、后板簧建模。

鋼板彈簧是汽車(chē)懸架中應(yīng)用最廣泛的一種彈性元件，前板簧建模參數(shù)如圖2和表3所示，表中物理參數(shù)根據(jù)板簧材料獲取，接觸和襯套剛度為孔輝科技提供。

圖2 前板簧基本參數(shù)

前板簧模型采用17段等效簧片、16段beam梁模擬，模型如圖3所示。經(jīng)驗(yàn)證靜剛度與出廠剛度550N/mm存在一定偏差，誤差為0.27%，驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。

表3 前板簧物理參數(shù)

圖3 前板簧beam梁模擬模型

圖4 板簧靜剛度驗(yàn)證

后板簧剛度較大，后板簧的剛度值、弧高及驗(yàn)證負(fù)荷等基本參數(shù)和物理參數(shù)如圖5和表4所示。應(yīng)用ADAMS軟件的Chassis模塊進(jìn)行后板簧柔性體的構(gòu)建，其模型主要采用離散梁法將后板簧離散化，每段視為一個(gè)剛體，每段之間用beam梁?jiǎn)卧B接模擬。Beam梁參數(shù)根據(jù)板簧截面形狀與材質(zhì)得出，整理后的后板簧模型如圖6所示，并按照?qǐng)D5所示規(guī)定的驗(yàn)證負(fù)荷進(jìn)行靜剛度驗(yàn)證，其剛度值為4333N/mm，符合規(guī)定要求。

表4 后板簧物理參數(shù)

（2）減震器建模。

攪拌車(chē)采用雙作用筒式減振器SYM1250T 5，上端可繞上端帶孔螺栓1軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，下端通過(guò)帶孔螺栓8與下連接叉7聯(lián)接，下連接叉可繞下安裝支座軸端的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，有效消除因車(chē)架扭轉(zhuǎn)變形造成減振器損，減振器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖5 后板簧基本參數(shù)

圖6 后板簧beam梁模擬模型

圖7 雙向作用筒式減振器

減振器模型主要采用非線性力元模擬，根據(jù)車(chē)架與車(chē)橋?qū)嶋H相對(duì)速度大小選取阻尼力，阻尼力曲線部分由淅川汽車(chē)減振器廠提供，減振器代號(hào)為S45-275HH，在溫度20±2C°、行程100mm、速度0.52m/s的條件下，減振器在排氣后測(cè)量時(shí)阻力值應(yīng)符合下述要求：復(fù)原阻力值Pf=9350±850N、壓縮阻力值Py=1300±100N，參數(shù)值由廠商提供；在已知阻尼力變化曲線條件下，采用單個(gè)阻尼力模擬減振器作用，攪拌車(chē)減振器阻尼力變化曲線用圖8曲線表示，減振器模型如圖9所示。建立表示阻尼力的曲線spline_1，為力隨相對(duì)速度的變化關(guān)系，采用AKISPL函數(shù)表示force。

（3）輪胎建模。

輪胎建模準(zhǔn)確性很大程度上取決輪胎的尺寸參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，攪拌車(chē)采用前進(jìn)輪胎12R22.5，對(duì)mft_truck315輪胎特性文件進(jìn)行特性參數(shù)的調(diào)試修改，調(diào)試后的輪胎模型主要參數(shù)如表5所示。

圖8 減振器力變化曲線

圖9 減振器模型

表5 PAC2002輪胎參數(shù)

（4）路面建模。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得某大型試驗(yàn)場(chǎng)各路面數(shù)據(jù)參數(shù)，并使用MATLAB軟件編輯路譜程序生成txt格式文件后轉(zhuǎn)換成Adams所需要要的rdf格式路面屬性文件。試驗(yàn)路面包括：2維平路、波形路、搓板路和魚(yú)鱗坑路，采用rdf特性文件導(dǎo)入軟件后，顯示效果如圖10所示。

圖10 路面模型

以上各路面模型均按照某大型試驗(yàn)場(chǎng)跑道實(shí)際尺寸建立，其中波形路長(zhǎng)50m、搓板路長(zhǎng)160m、魚(yú)鱗路長(zhǎng)160，寬度均為4.8m，使用MATLAB軟件編輯路譜程序文件，構(gòu)建模擬試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)形跑道，強(qiáng)化路與普通路全長(zhǎng)共計(jì)1880m，顯示效果如圖11所示。

圖11 模擬某大型試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)形跑道模型

3.車(chē)-路系統(tǒng)建模

將攪拌車(chē)駕駛室、車(chē)架、攪拌筒前后臺(tái)、攪拌筒、減速機(jī)、一橋、二橋、中后橋和平衡懸架系統(tǒng)、路面等裝配完成整車(chē)-路面模型，如圖12所示。

圖12 整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

在一橋、二橋與輪胎轉(zhuǎn)向節(jié)之間添加轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)整車(chē)的轉(zhuǎn)向控制，一橋轉(zhuǎn)向函數(shù)：

S T E P(t i m e， 7.3， 0.0 d， 7.8，-26.25d)+STEP(time， 27.7， 0.0d， 28.2，2 6.2 5 d)+S T E P(t i m e， 3 6.2， 0.0 d， 3 6.7，-26.25d)+STEP(time， 56.67， 0.0d， 57.17， 26.25d)

二橋的轉(zhuǎn)向控制驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：

A T A N(T A N(.j i a o b a n c h e.y i q i a o_zhuanjiao*pi/180)*418/588)*180/pi*1d

在中橋、后橋與輪胎之間添加旋轉(zhuǎn)副和驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)整車(chē)的加速、勻速、減速等行駛工況，其直驅(qū)動(dòng)力函數(shù)為：

IF(time-5.3：step(time，0，0，2，21)，step(time，5.3，2 1，6.3，5)，IF(time-29.0：step(time，6.3，5，28.5，5)，step(t ime，29.0，5，30.5，21)，IF(time-35.5：step(time，31，21，35-，21)，step(time，35.5，21，36.0，5)，IF(time-58：step(time，36.0，5，58，5)，step(time，58，5，59，21)，step(ti me，59，21，61，21)))))

四、整車(chē)平順性分析與試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比

1.橋載分配調(diào)試

對(duì)進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化處理的整車(chē)模型，增加平衡質(zhì)量塊，保證整車(chē)質(zhì)量符合實(shí)際情況，并對(duì)平衡質(zhì)量塊進(jìn)行位置調(diào)整，調(diào)試整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型的各車(chē)橋橋載分布接近試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果如表6所示。

表6 整車(chē)橋載分布調(diào)試結(jié)果對(duì)比

經(jīng)調(diào)平衡質(zhì)量塊和整車(chē)質(zhì)量分配，基本保證模型的橋載分配與試驗(yàn)吻合。

2.主要工況分析

通過(guò)控制函數(shù)控制整車(chē)在某大型模型試驗(yàn)路譜上進(jìn)行周期行駛，實(shí)現(xiàn)搓板路等強(qiáng)化路面的行駛工況仿真分析，取整車(chē)在常用車(chē)速50km/h和60km/h工況，關(guān)鍵路面搓板路上的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）50km/h時(shí)速工況。

將仿真的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為FFT幅值譜，其中各橋的振動(dòng)主峰頻率仿真值為24.17Hz、試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為24.15Hz，車(chē)橋測(cè)點(diǎn)振動(dòng)特性的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況如表7所示。

圖13 一橋振動(dòng)幅值譜的仿真與試驗(yàn)對(duì)比

圖14 二橋振動(dòng)幅值譜的仿真與試驗(yàn)對(duì)比

圖15 三橋振動(dòng)幅值譜的仿真與試驗(yàn)對(duì)比

圖16 四橋振動(dòng)幅值譜的仿真與試驗(yàn)對(duì)比

表7 車(chē)橋振動(dòng)特性幅值譜的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比（單位：m/s2）

將仿真的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為FFT幅值譜，其中各橋的振動(dòng)主峰頻率仿真值為28.125Hz、試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為28.07，車(chē)橋測(cè)點(diǎn)振動(dòng)特性的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況如表8所示。

從上面50km/h和60km/h試驗(yàn)與分析對(duì)比數(shù)據(jù)可以看到：各橋振動(dòng)主峰頻率值的仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本一致，說(shuō)明路面對(duì)整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)符合實(shí)際情況。

結(jié)果存在一定的誤差，主要是由于試驗(yàn)測(cè)試誤差，模型簡(jiǎn)化及相關(guān)參數(shù)誤差引起。

五、結(jié)語(yǔ)

圖17 一橋振動(dòng)幅值譜的仿真與試驗(yàn)對(duì)比

圖18 二橋振動(dòng)幅值譜的仿真與試驗(yàn)對(duì)比

圖19 三橋振動(dòng)幅值譜的仿真與試驗(yàn)對(duì)比

圖20 四橋振動(dòng)幅值譜的仿真與試驗(yàn)對(duì)比

表8 車(chē)橋振動(dòng)特性幅值譜的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比（單位：m/s2）

本文通過(guò)介紹攪拌車(chē)各子系統(tǒng)模型建模方法、不同路譜模型建立，并對(duì)常用車(chē)速、關(guān)鍵路面下仿真振動(dòng)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了建模方法與平順性分析方法的準(zhǔn)確性，證明了利用該方法在解決該類(lèi)問(wèn)題上的正確性和可行性，仿真分析結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試的方法勢(shì)必會(huì)成為今后產(chǎn)品設(shè)計(jì)與優(yōu)化的主要方法，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證并修正仿真模型，反過(guò)來(lái)再利用仿真模型去指導(dǎo)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而可以大大減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，并且在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出更好的產(chǎn)品。