道路模擬試驗機隔振基礎動力特性分析與優化*

劉海潮，蔣時軍 ，李偉聰，萬葉青，董本勇

(1.中車時代電動汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007； 2.中國汽車工業工程有限公司，天津 300113)

0 引 言

道路模擬試驗機是通過液壓作動器在室內環境下模擬試驗場的各種路況，復現車輛實際行駛過程中所承受道路載荷的車輛耐久性試驗裝置[1]。為減小道路模擬試驗機工作干擾力對廠房結構的影響，一般采用彈簧隔振基礎。目前針對模擬試驗機引起的基礎和廠房振動研究較少，但類似動力機器引起的振動研究均可借鑒[2-6]。動力機器引起的結構振動的限值問題，我國基本按照《建筑工程容許振動標準》[7]等規范進行設計。為深入分析道路模擬試驗機采用空氣彈簧隔振基礎后的振動特性，評估其振動安全性，筆者以某工程案例為研究對象，基于液壓作動器載荷特性進行動力性分析；結合現場測試對隔振基礎最大負載工況進行響應計算和設計參數優化。

1 隔振基礎系統模型

1.1 模型分析

道路模擬試驗機的組成包括液壓作動器及其伺服控制系統、隔振基礎、空氣彈簧和樁基礎。經模型合理假設簡化[6]，計算簡圖見圖1。

圖1 計算簡圖

隔振體系為六個自由度，即沿ox、oy和oz坐標軸的線位移x(t)、y(t)和z(t)，以及繞此坐標軸轉動的角位移φx(t)、φy(t)和φz(t)。根據達朗貝爾(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為空氣彈簧剛度中心至反力基礎質心的垂直距離；m為反力基礎總質量；Kx、Ky、Kz分別為空氣彈簧在x、y和z方向的線剛度；Kφx、Kφy、Kφz分別為空氣彈簧繞x、y和z軸轉動的角剛度；Jx、Jy、Jz分別為反力基礎對于ox、oy和oz軸的的質量慣性矩；c為空氣彈簧各向阻尼系數；Px(t)、Py(t)、Pz(t)分別為x、y和z方向的激振力；Mx(t)、My(t)、Mz(t)分別為對x、y和z軸的激振力矩。隔振基礎試驗原理示意圖如圖2所示。

圖2 隔振基礎試驗原理示意圖

隔振基礎在通過其質心的豎向擾力作用下，其豎向振動線位移按下列公式計算：

(7)

式中：Uz為基礎質心處的豎向振動線位移；ωnz為基礎的豎向固有頻率；ω為作動器激振頻率；ζz為基礎豎向阻尼比。

1.2 載荷分析

液壓作動器載荷特性與系統運動部分負載質量和系統加速度特性有關，加速度特性可由三折線對數分析方法得到，振動載荷按照下式計算：

Ft=(ms+mt)·a(f)

(8)

a(f)=

(9)

式中：ms為試驗車輛非簧載質量；mt為機械夾具與輪胎托盤質量；a(f)為液壓作動器頻域振動加速度特性函數。

2 振動響應測試

2.1 試驗原理及設備

試驗由液壓作動器提供試驗激振，采用加速度傳感器記錄隔振基礎與樁基地面的加速度信號并轉為電信號，經過測控系統輸入計算機，再用分析軟件進行數據分析。主要測試設備如下。

(1) 數據采集設備：64通道eDAQ數據采集系統。

(2) 道路模擬試驗臺：MTS 320型4立柱道路模擬試驗系統。

(3) 傳感器和數據處理軟件：①傳感器：PCB電容式加速度傳感器，量程+/-50 g，頻響范圍0～1 000 Hz，分辨率0.1 mg；②數據處理軟件：nCode。

2.2 振動測試

隔振基礎的鑄鐵平臺與反力質量塊用高強度錨固件連接，通過兩次灌漿調平，其總質量為568.4 t，外形尺寸為13 m×7 m×2.5 m。在隔振器上方的反力基礎表面和隔振器下方樁基表面各布置一個加速度傳感器，在穩態正弦激勵和隨機激勵條件下測量加速度時域信號，現場測試情況見圖3。

圖3 現場測試情況

2.3 測試結果

將測得的信號進行時域處理，截取有效時間段數據，采用低通濾波器將數據進行濾波處理，降低數據波動、消除毛刺信號、減少隨機誤差，得到基礎振動加速度時域波形圖如圖4所示。

圖4 各測點垂向振動加速度響應情況

采用合適的帶通濾波器將采集振動加速度數據進行濾波處理后，積分得到速度和位移信號，提取所有信號樣本函數的最大值[10]，見表1所列。

表1 各測點振動指標最大值統計

由表1知，該型號道路模擬試驗機主要表現為豎直方向上的振動，在穩態激勵和隨機激勵條件下，隔振基礎頂面的最大垂向加速度分別為0.183 8 m/s2和0.248 6 m/s2；樁基表面的最大垂向加速度分別為0.033 9 m/s2和0.081 5 m/s2，隔振基礎頂面的振動加速度為樁基基礎表面的3～5倍。可見，空氣彈簧隔振系統能有效減小設備振動向外傳遞，具有良好的隔振效果。

3 振動仿真分析

3.1 建 模

建立隔振系統多體動力學建模，液壓作動器、鑄鐵平臺與反力質量塊進行剛性固定連接；采用BUSHING元件來模擬空氣彈簧，連接反力質量塊和樁基地面。部件質量、轉動慣量等特性參數通過計算獲取。動力學仿真模型見圖5。

圖5 隔振系統動力學仿真模型

隔振基礎與空氣彈簧主要技術參數見表2所列。

表2 隔振基礎與空氣彈簧技術參數

3.2 模態分析

通過ADAMS/Vibration模塊對隔振系統進行模態計算分析，提取前6階結構振型及對應的振動頻率見表3所列。

表3 振動頻率及對應振型

3.3 振動安全性評估

由文獻[7]可知，我國對于電液伺服液壓振動臺基礎的容許振動位移峰值為0.1 mm，容許振動速度峰值為10 mm/s，容許振動加速度峰值為0.1 g。道路模擬試驗機在最大負載工況下隔振基礎的振動響應情況無法直接通過試驗獲取。

該道路模擬試驗機最大負載為28 t，車輛前/后橋最大非簧載質量分別為1 300 kg/1 700 kg，機械夾具與前/后輪胎托盤質量分別為137 kg/202 kg。運用式(8)計算振動載荷，將其作為激勵輸入動力學模型進行仿真分析，選取隔振基礎質心位置作為測量點，將質心加速度響應作為結果輸出，仿真結果見圖6。

圖6 最大負載下隔振系統幅頻曲線

由圖6知，在最大負載條件下該空氣彈簧隔振基礎的振動加速度幅值為1.43 m/s2，速度為28.69 mm/s，位移為5.16 mm，均超過了限值，可能在基礎設計與施工、彈簧隔振器安裝與調校等方面的因素所致。

4 設計參數影響分析

空氣彈簧數量、隔振基礎與試驗車輛的質量比是影響隔振系統動力響應和建設成本的主要影響因素。為此，分別取空氣彈簧數量為16、18、20、22、24、28；隔振基礎與試驗車輛的質量比為15、17、19、21、23、25、27、29的條件下進行振動響應分析，計算結果如表4、5所列。

表4 振動響應隨空氣彈簧數量變化值

計算結果表明，隨著空氣彈簧數量的增加，隔振系統振動響應減小，改善效果愈趨于平緩，當空氣彈簧數量從現有20組增加到達到28組時，振動響應可降低28.57%；增加質量比也可減小系統振動響應，當質量比由20增至27，即隔振基礎質量為756 t時，系統振動加速度值可降低至0.1 g以下。但質量比的增加同時伴隨著基坑尺寸及成本大幅度提高，結合經濟成本考慮，本文建議質量比設計范圍為271。

表5 振動響應隨質量比變化值

5 結 語

文中通過對道路模擬試驗機隔振基礎現場振動測試，基于液壓作動器的載荷特性，研究空氣彈簧隔振基礎道路模擬試驗機的動力特性，并對重要設計參數進行優化分析。結論如下。

(1) 空氣彈簧隔振基礎頂面的振動加速度為樁基基礎表面的3～5倍，表明它具有較好的隔振效果，能有效減小設備振動向外傳遞。

(2) 適當增加空氣彈簧數量、隔振基礎與試驗車輛的質量比均可減小隔振系統振動響應，但隨著彈簧數量或質量比的增加，建設成本亦成比例增加，而改善效果卻趨于平緩，建設時需合理的選擇空氣彈簧數量和質量比，以達到性價比最優的目的。

(3) 目前國內對于電液伺服液壓振動臺的振動限值是針對于大塊式剛性基礎而制定的，柔性隔振基礎的容許振動標準需進一步研究。