基于路面平整度的貨物約束系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)分析

周　斌，閆鵬磊，趙　燕

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著交通運(yùn)輸行業(yè)及物流的蓬勃發(fā)展，貨物運(yùn)輸安全問(wèn)題越來(lái)越突出。在我國(guó)目前貨物運(yùn)輸大多還是使用傳統(tǒng)的繩索、網(wǎng)罩等捆綁方式，在運(yùn)輸過(guò)程中時(shí)常出現(xiàn)散包等事故。因此，推廣使用更為安全有效的貨物約束拉緊器(以下簡(jiǎn)稱拉緊器)勢(shì)在必行。拉緊器是貨物運(yùn)輸安全的重要組成部分和關(guān)鍵的配套產(chǎn)品，在貨車高速行駛中它也能夠大大提高貨車及貨物的安全系數(shù)[1-2]。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家拉緊器是作為強(qiáng)制性的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)使用的，國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)出臺(tái)了相應(yīng)的拉緊器標(biāo)準(zhǔn)，但還處于非強(qiáng)制性執(zhí)行階段，對(duì)于拉緊器在使用過(guò)程中對(duì)貨物的約束效果還處于研究階段。路面平整度是路面表面相對(duì)于理想平面的縱向偏差，是車輛振動(dòng)系統(tǒng)的主要振源[3-4]。在等級(jí)較差的路面上，路面平整度引起的振動(dòng)有可能會(huì)導(dǎo)致貨物及包裝破損和散包的現(xiàn)象，對(duì)貨物造成很大危害。同時(shí)，由于貨運(yùn)車輛行駛的路況千差萬(wàn)別，基于我國(guó)國(guó)情，路面等級(jí)相對(duì)較差的公路所占比率較大，更加容易造成貨物運(yùn)輸過(guò)程中的損壞。因此研究拉緊器在較差的路面等級(jí)下對(duì)貨物振動(dòng)響應(yīng)的影響有重要意義。

通過(guò)建立車輛-貨物-拉緊器系統(tǒng)的多自由度模型，針對(duì)一定路面激勵(lì)下貨物的振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行仿真分析。最后討論拉緊器在不同剛度、不同車速條件下對(duì)貨物的振動(dòng)響應(yīng)的影響。

1　車輛-貨物-拉緊器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

拉緊器是一種新型貨物捆綁專用器，它由拉緊帶、鎖緊器和末端裝置配套組成。拉緊器實(shí)物及其使用如圖1和圖2所示。選擇TD50款拉緊器為研究對(duì)象，對(duì)車載貨物為8 000 kg的貨物采用直接捆綁的方式。拉緊器在使用的過(guò)程中應(yīng)預(yù)緊，一般標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊力STF范圍在0.1LC≤STF≤0.5LC之間(LC為拉緊器的捆綁能力，其值等于拉緊器的極限工作載荷)。拉緊器在使用過(guò)程中可等效為具有一定彈性和阻尼的粘彈性模型，其模型的等效剛度和等效阻尼計(jì)算公式分別為式(1)和式(2)。

(1)

(2)

根據(jù)企業(yè)提供的拉緊器的有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得到在工作區(qū)間內(nèi)其平均等效剛度和阻尼K=8×104N/m，C=1.2×103N·s/m[5]。根據(jù)研究需要選用東風(fēng)EQ型載重為8噸的載貨汽車，其參數(shù)如表1所示。

圖1　貨物約束拉緊器

圖2　拉緊器使用圖

名稱參數(shù)值簧載質(zhì)量/kg3400前車輪質(zhì)量/kg325后車輪質(zhì)量/kg525簧載質(zhì)心到前車軸的水平距離/m2.2簧載質(zhì)心到后車軸的水平距離/m4.3簧載質(zhì)心到貨物的水平距離/m1.05前/后輪距/m1.94/1.86前懸架垂直剛度/N/m1.7×105后懸架垂直剛度/N/m4.8×104前懸架垂直阻尼/N·s/m7×103后懸架垂直阻尼/N·s/m1.4×104

車輛-貨物-拉緊器系統(tǒng)是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)，為簡(jiǎn)化問(wèn)題的分析做出如下假設(shè)：

(1)假設(shè)車輛勻速行駛，整車簡(jiǎn)化為車身質(zhì)量和非簧載質(zhì)量；

(2)假設(shè)懸架的剛度和阻尼均為常數(shù)，用SPRING定義。貨物與車身的連接為彈性連接，用BUSHING定義；

(3)拉緊器簡(jiǎn)化為具有一定剛度和阻尼的約束系統(tǒng)；

(4)路面平整度沖擊主要造成貨物垂直振動(dòng)，本研究重點(diǎn)分析貨物的垂直振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題。

在運(yùn)輸過(guò)程中，貨物的振動(dòng)主要還是來(lái)自路面的激勵(lì)作用，路面激勵(lì)主要通過(guò)車輪、懸架系統(tǒng)，最后通過(guò)車身傳遞到貨物上。結(jié)合整車13自由度模型[6]，簡(jiǎn)化的系統(tǒng)模型如圖3所示。

1.思想認(rèn)識(shí)滑坡。隨著農(nóng)田防護(hù)林體系框架的初步建成，生態(tài)環(huán)境有了明顯改善，基本結(jié)束了“沙進(jìn)人退”的歷史，人們漸漸淡忘了“風(fēng)起沙滾”的日子。群眾對(duì)有無(wú)農(nóng)防林的體會(huì)不深，只片面地看到了林帶脅地現(xiàn)象，沒(méi)認(rèn)識(shí)農(nóng)田林網(wǎng)的屏障作用，對(duì)規(guī)劃的農(nóng)防林帶不能按規(guī)劃營(yíng)造，缺株斷帶的林帶不能及時(shí)補(bǔ)建，有的地方林農(nóng)爭(zhēng)地矛盾突出，擠占蠶蝕林地現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約農(nóng)田防護(hù)林的營(yíng)造和采伐更新。

圖3　車輛-貨物-拉緊器簡(jiǎn)化模型示意圖

建立的車輛-貨物-拉緊器系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型如圖4所示。模型主要部分有駕駛室、車身、車輪、懸架系統(tǒng)、車軸、貨物和拉緊器幾大模塊。系統(tǒng)共有10個(gè)自由度，其中車身和貨物均具有沿Z軸平動(dòng)，繞X軸側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，繞Y軸俯仰3個(gè)自由度，每個(gè)車輪有一個(gè)沿Z軸平動(dòng)的自由度。

圖4　車輛-貨物-拉緊器動(dòng)力學(xué)模型

2　路面平整度下貨物的振動(dòng)響應(yīng)

2.1　路面平整度時(shí)域模型的獲取

描述路面平整度特性的指標(biāo)有很多種，最常用的是根據(jù)路面功率譜密度進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析。按照國(guó)標(biāo)GB7031-2005《機(jī)械振動(dòng)—道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告》，路面平整度位移功率譜密度擬合表達(dá)式采用式(3)[7]。

(3)

式中：n為空間頻率；n0為參考空間頻率，n0=0.1；w為頻率指數(shù)，w=2[8]；Gq(n0)為路面平整度系數(shù)，其大小隨路面粗糙度的增加而遞增。

對(duì)于路面平整度的模擬本文采用諧波疊加法。諧波疊加法的基本思想是將大量隨機(jī)三角級(jí)數(shù)進(jìn)行疊加，在指定頻率下達(dá)到相應(yīng)的功率譜密度，從而構(gòu)造出符合要求的路面模型[9]。根據(jù)該方法獲得的E級(jí)路面譜如圖5所示。

圖5　E級(jí)路面譜

2.2　貨物在E級(jí)路面下的振動(dòng)響應(yīng)

就拉緊器對(duì)貨物的振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題，以E級(jí)路面譜作為輸入，研究車輛-貨物-拉緊器系統(tǒng)分別在貨物有無(wú)拉緊器約束時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行仿真分析。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB /T4970-2009規(guī)定：一般路面試驗(yàn)車速中的N類車輛的車速選擇，同時(shí)為了研究貨物在較快的車速下拉緊器的約束響應(yīng)問(wèn)題，選擇試驗(yàn)車速為50 km/h，拉緊器剛度和阻尼K=8×104N/m，C=1.2×103N·s/m，仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為10 s[10]。圖6和圖7分別是在E級(jí)路面譜車速50 km/h時(shí)貨物在有無(wú)拉緊器約束的情況下的位移、加速度曲線。從圖6可以看出在拉緊器約束下貨物最大位移為87.6 mm，無(wú)拉緊器的約束下貨物的最大位移為123.4 mm。從圖7可以看出在拉緊器約束下貨物的最大加速度為5.9×104mm/s2，無(wú)拉緊器約束下貨物的最大加速度為1.46×105mm/s2?？梢钥闯鲈诶o器的作用下貨物的位移以及加速度值都有較大的降低。其加速度均方根從無(wú)拉緊器約束的11 584 mm/s2降低到了8 109 mm/s2，貨物的振動(dòng)響應(yīng)降低了30%左右。圖8為貨物在有無(wú)拉緊器約束情況下的加速度頻率響應(yīng)曲線，由圖8可以看出，貨物的頻率響應(yīng)峰值發(fā)生在1.48 Hz處，表明在此處貨物的振動(dòng)強(qiáng)度最大。另外在10 Hz范圍處，加速度也有一定的幅值，表明在此處也存在一定較大強(qiáng)度的振動(dòng)。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證易損部件的固有頻率避開(kāi)低頻的范圍，避免因發(fā)生共振而產(chǎn)生損壞。

圖6　E級(jí)路面貨物位移曲線

圖7　E級(jí)路面貨物加速度曲線

圖8　拉緊器約束時(shí)貨物加速度頻率響應(yīng)曲線

2.3　拉緊器剛度對(duì)貨物振動(dòng)響應(yīng)特征的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證拉緊器的使用效果，相同型號(hào)的拉緊器配備不同的拉緊帶，拉緊帶結(jié)構(gòu)、外形尺寸的不同，其等效剛度也不一樣?，F(xiàn)圍繞原始數(shù)據(jù)K=8×104N/m，C=1.2×103N·s/m，將其剛度以2×104N/m步長(zhǎng)變化，阻尼不變(由于阻尼相對(duì)剛度對(duì)貨物振動(dòng)響應(yīng)影響較小，在此不再討論)展開(kāi)成3組數(shù)據(jù)。得到拉緊器的剛度對(duì)貨物位移、加速度以及加速度均方根的影響曲線，分別如圖9～圖11所示。

圖9　拉緊器不同剛度時(shí)貨物的位移響應(yīng)曲線

圖10　拉緊器不同剛度時(shí)貨物的加速度響應(yīng)曲線

圖11　拉緊器不同剛度時(shí)貨物加速度均方根值的影響曲線

從圖9～圖11可以看出，隨著拉緊器剛度的逐步增加，貨物的位移、加速度以及加速度均方根值相應(yīng)的減小，與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)吻合?？蔀槭褂谜吒鶕?jù)不同的貨物屬性選擇適合的拉緊器做出參考。

2.4　車速對(duì)貨物振動(dòng)響應(yīng)特征的影響

車速是影響貨物振動(dòng)響應(yīng)的重要因素，研究車速對(duì)貨物的振動(dòng)響應(yīng)可以為不同路面等級(jí)下選擇合理的車速做出理論指導(dǎo)。為此，分別選取40 km/h、50 km/h、60 km/h的車速，拉緊器剛度和阻尼K=8×104N/m，C=1.2×103N·s/m。得到車速對(duì)貨物位移、加速度、以及加速度均方根值的影響曲線，分別如圖12～圖14所示，圖15為不同車速下貨物的加速度頻率響應(yīng)曲線。

從仿真結(jié)果可以看出，降低車速可以有效地降低貨物的位移、加速度以及加速度均方根。同時(shí)，降低車速可以有效地降低貨物的振動(dòng)幅值與范圍。這就更加說(shuō)明司機(jī)在行駛的過(guò)程中遇到路面較差的情況下一定要減速慢行，保證貨物以及人身的安全。

圖12　不同車速下貨物的位移響應(yīng)曲線

圖13　不同車速下貨物的加速度響應(yīng)曲線

圖14　車速對(duì)貨物加速度均方根影響曲線

圖15　車速對(duì)貨物加速度頻率響應(yīng)影響曲線

3　結(jié)論

貨物在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)受到路面平整度的沖擊作用產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，本文建立了貨物約束拉緊系統(tǒng)的ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)E級(jí)路面平整度激勵(lì)下的貨物約束拉緊系統(tǒng)進(jìn)行了貨物振動(dòng)響應(yīng)的分析。同時(shí)對(duì)于不同拉緊器的剛度以及不同車速下貨物的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析，其結(jié)果表明：①貨物在運(yùn)輸過(guò)程中在低頻段其振動(dòng)程度最為劇烈，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)應(yīng)避免其共振頻率處在低頻區(qū)；②提高拉緊器的剛度以及降低車速都可以有效的降低貨物的振動(dòng)響應(yīng)情況，為貨物的安全提供保障；③車速對(duì)拉緊器剛度對(duì)貨物的振動(dòng)響應(yīng)的約束有較大的影響，增大車速會(huì)減弱拉緊器剛度對(duì)貨物振動(dòng)響應(yīng)的約束。因此，在選擇拉緊器時(shí)，應(yīng)根據(jù)常用車速選擇合適的拉緊器型號(hào)，以滿足對(duì)貨物振動(dòng)響應(yīng)的約束；④根據(jù)上述仿真可知，在較差的E級(jí)路面下貨物振動(dòng)的位移和加速度還是較大的，貨物的脆值G可能不能承受。因此在運(yùn)輸過(guò)程中，可以在貨物包裝中增加緩沖襯墊或采用緩沖包裝，使內(nèi)部貨物與包裝之間增加緩沖，從而確保貨物安全。在拉緊器和緩沖包裝的共同作用下保證貨物的運(yùn)輸安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡偉.車輛貨物約束系統(tǒng)甩尾力學(xué)特性的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué), 2010.

[2]汪一立.車輛貨物約束系統(tǒng)側(cè)翻力學(xué)特性的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué), 2010.

[3]Shellock F G, Woods T O. MR Labeling Information for Implants and Devices: Explanation of Terminology[J]. Radiology, 2009,253(1):26-30.

[4]向華榮,張開(kāi)斌,張琢玉,等.基于偽白噪聲的路面不平度模擬及其車輛平順性[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(9):11-15.

[5]李天鵬,趙燕,李暢達(dá).車輛貨物約束系統(tǒng)對(duì)道路不平度響應(yīng)的仿真[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2012,34(3):306-309.

[6]王峰,靳永軍,張建武.基于整車模型的動(dòng)力總成懸置振動(dòng)仿真及優(yōu)化[J].振動(dòng)與沖擊,2008(4):134-138.

[7]Hu Z G, Zhang Y L, Ye J P, et al. Numerical Modeling and Simulation of Random Road Surface Using IFFT Method[J]. Advanced Materials Research, 2011,199-200:999-1004.

[8]中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.車輛振動(dòng)輸入路面平度表示方法GB/T 7031-86[S].[S.l.]：[s.n.],1986.

[9]夏均忠,馬宗坡,白云川,等.路面不平度激勵(lì)模型研究現(xiàn)狀[J].噪聲與振動(dòng)控制,2012(5):1-5.

[10]寧士翔,蘇小平,王宏楠.基于ADAMS/Car對(duì)車架動(dòng)載荷的仿真分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2014,33(2):289-292.