路面循環(huán)載荷施加試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)*

□ 李 碩 □ 蘇 鳴2 □ 羅 濤 □ 孫 琴

1.武昌首義學(xué)院 機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430070 2.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430080

1 設(shè)計(jì)背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各類汽車的保有量也在不斷增加,重型載重汽車的超載運(yùn)輸、各種車輛的超速行駛等在道路上經(jīng)常可見,公路交通壓力大,路面結(jié)構(gòu)的可靠性及耐久性都存在較大的考驗(yàn)。目前，國內(nèi)外對于載重汽車在不同的載荷條件下對路基影響的研究主要處于靜態(tài)研究階段,對于動(dòng)態(tài)研究特別是監(jiān)測還較少。

筆者設(shè)計(jì)了一種路面循環(huán)載荷施加試驗(yàn)裝置,基于Pasternak路基模型，可以針對路面在承受載荷時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測,并作相應(yīng)的分析。裝置設(shè)計(jì)簡圖如圖1所示。從路面力學(xué)的角度出發(fā),考慮到路面在車輛載荷的作用下存在變形,即車輛與路面存在耦合作用，采用模擬剛性路面,忽略車輛與路面間的耦合作用,將模擬車輛系統(tǒng)作為一個(gè)數(shù)學(xué)上的線性系統(tǒng)。在模擬路面上建立多個(gè)測量點(diǎn),各個(gè)測量點(diǎn)的影響值就是車輛對路面的影響[1-3]。

2 工作原理

路面循環(huán)載荷施加試驗(yàn)裝置主要由模擬車輛載荷結(jié)構(gòu)、動(dòng)力輸出結(jié)構(gòu)、壓力測試結(jié)構(gòu)、機(jī)架結(jié)構(gòu)四部分組成。將四個(gè)定向輪固定在一塊鋼板上,模擬為一個(gè)移動(dòng)車輛。再將一個(gè)推桿固定在鋼板上,推桿的上方安裝絲桿螺母，帶動(dòng)模擬車輛可以在機(jī)架絲桿上做直線運(yùn)動(dòng)。絲桿的右端連接鏈輪,直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過鏈條傳遞到絲桿上。當(dāng)電動(dòng)機(jī)通電后,通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn),此時(shí)推桿連接的模擬車輛作直線運(yùn)動(dòng),模擬車輛的載荷重力通過定向輪施加到路基上。由于模擬車輛作直線運(yùn)動(dòng)，因此可以確保試驗(yàn)的連續(xù)性,從而提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

▲圖1 路面循環(huán)載荷施加試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)簡圖

3 模擬車輛載荷結(jié)構(gòu)

模擬車輛載荷結(jié)構(gòu)如圖2所示。四個(gè)定向輪作為模擬車輛輪胎，一塊5 mm厚的鋼板作為車身。在鋼板中間固定一個(gè)法蘭,法蘭主要用于連接推桿,推桿的上端連接在動(dòng)力傳輸板的法蘭上。動(dòng)力傳輸板上安裝有絲桿螺母，用于與絲桿配合。四根固定螺桿將定向輪固定鋼板與動(dòng)力傳輸板連接,在固定螺桿伸出動(dòng)力傳輸板部分加入減振彈簧,模擬車輛的減振機(jī)構(gòu),同時(shí)也起到固定作用[4]。

▲圖2 模擬車輛載荷結(jié)構(gòu)

根據(jù)調(diào)研,在道路行駛的轎車、普通貨車、面包車，其載重一般在15 kN～25 kN區(qū)間內(nèi)。因?yàn)闂l件有限,作為模擬車輛,將負(fù)載縮小一定倍數(shù)。模擬車輛需要的最小輸出壓力設(shè)置為300 N,最大輸出壓力設(shè)置為600 N[5]。

4 模擬車輛振動(dòng)模型

汽車在實(shí)際行駛時(shí)是一個(gè)十分復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng),所以建立一個(gè)能完全反映實(shí)際振動(dòng)狀態(tài)的模型是比較困難的。筆者對模擬車輛進(jìn)行了相應(yīng)簡化[6]，將其簡化為二自由度模型,如圖3所示。假設(shè)車輛沿直線運(yùn)動(dòng),且只有垂直振動(dòng)。

▲圖3 模擬車輛二自由度模型

5 模擬車輛結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

在模擬車輛載荷為600 N時(shí)，對定向輪固定板進(jìn)行靜力學(xué)分析,定向輪固定板的等效應(yīng)力及整體變形云圖分別如圖4、圖5所示。可以看出，在受600 N載荷力的情況下,受力最大的位置在螺孔部分,變形最大的位置在定向輪固定板的中央位置,所有的應(yīng)力值和變形值都在設(shè)計(jì)允許范圍以內(nèi)[7-8]。

▲圖4 定向輪固定板等效應(yīng)力云圖▲圖5 定向輪固定板整體變形云圖

在施加600 N載荷力情況下對動(dòng)力傳輸板進(jìn)行靜力學(xué)分析，動(dòng)力傳輸板的等效應(yīng)力及整體變形云圖分別如圖6、圖7所示?？梢钥闯?，在受載荷力的情況下,受力最大的位置在動(dòng)力傳輸板的兩側(cè),變形最大的位置在法蘭連接孔上,所有的應(yīng)力值和變形值都在設(shè)計(jì)允許范圍以內(nèi)。

▲圖6 動(dòng)力輸出板等效應(yīng)力云圖▲圖7 動(dòng)力輸出板整體變形云圖

對模擬車輛整體結(jié)構(gòu)在受到600 N載荷力情況下進(jìn)行靜力學(xué)分析,整體變形云圖如圖8所示。在受載荷力的情況下,受力最大的位置在定向輪與路面接觸部位,變形最大的位置在定向輪固定板。

▲圖8 模擬車輛結(jié)構(gòu)整體變形云圖

6 壓力測試結(jié)構(gòu)

6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力測試結(jié)構(gòu)如圖9所示。應(yīng)用一個(gè)壓力傳感范圍為0～10 kN的壓力傳感器,固定在下板上。壓力傳感器的上端放置一塊4 mm厚的鋼板,鋼板的四周用四個(gè)壓縮彈簧加螺柱固定。鋼板在受壓恢復(fù)時(shí),能夠快速復(fù)位。

▲圖9 壓力測試結(jié)構(gòu)

6.2 受力分析

根據(jù)路面的力學(xué)模型,將路面分為硬路面、柔性路面、半剛性路面三大類。 剛性路面模型可以看作是由彈性Pasternak地基支撐的無限矩形阻尼板。 Pasternak路基模型涉及壓縮彈簧之間的相互剪切力,壓縮彈簧作為彈性元件,安裝在模擬路基下,模擬路基在橫向剪切力的作用下產(chǎn)生變形[9-10]。Pasternak路基模型如圖10所示。

▲圖10 Pasternak路基模型

圖10中，F(xiàn)為車輛勻速v移動(dòng)所產(chǎn)生的豎直力,即路面受到的載荷；x0為車輛移動(dòng)的距離,即車輛所處位置。設(shè)路面的橫向變形為y,縱向變形為x,車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t，則路基的動(dòng)力響應(yīng)控制方程為:

(1)

式中:M為路基單位長度的質(zhì)量;E為路基的彈性模量;I為路基轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;K為路基彈性模量;C為路基阻尼因數(shù);Gp為路基所受剪力。

勻速運(yùn)動(dòng)載荷對路基產(chǎn)生的恒力F0對路基的作用函數(shù)為：

F(x,t)=F0δ(x-vt)

(2)

式中：δ(x-vt)為狄拉克函數(shù)。

設(shè)函數(shù)f(x0)為任意函數(shù),可得:

(3)

式(1)、式(3)可作為模擬路面的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計(jì)中以一塊4 mm厚鋼板模擬剪切板,鋼板下方加裝壓縮彈簧模擬路基阻尼,在鋼板正中間加裝傳感器采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。模擬路基結(jié)構(gòu)如圖11所示。

▲圖11 模擬路基結(jié)構(gòu)

7 整體結(jié)構(gòu)

路面循環(huán)載荷施加試驗(yàn)裝置的整體三維結(jié)構(gòu)如圖12所示。壓力傳感器外接顯示裝置,可對循環(huán)載荷的大小及分布規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,并可繪制出壓力分布動(dòng)態(tài)圖。

▲圖12 路面循環(huán)載荷施加試驗(yàn)裝置整體三維結(jié)構(gòu)

8 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一套路面循環(huán)載荷施加試驗(yàn)裝置,通過試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析,可對不同行駛速度和載荷的車輛對路面的壓力做出監(jiān)測,進(jìn)而可以為路面載重設(shè)計(jì)提供參考。

路面循環(huán)載荷施加試驗(yàn)裝置主要基于二自由度車輛模型與Pasternak路基模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

這一裝置是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的初步探索,尚未解決的難題有很多,如試驗(yàn)車速不能達(dá)到實(shí)際車速,忽略空氣阻力、坡度阻力和加速度影響等,有待進(jìn)一步改進(jìn)。