特種車輛減振結構設計及其耐久性試驗分析

曹喆

西安華雷船舶實業有限公司 陜西省西安市 710068

1 引言

對特種車輛而言，其減振器的性能會對車輛性能產生直接影響，只有確保其減振可靠性，才能有效保證特種車輛的耐久性。基于此，對特種車輛減振結構進行設計，并對其做科學的耐久性試驗，以此來滿足其減振效果與耐久性。

2 特種車輛減振結構設計分析

2.1 金屬絲網減振器的結構設計

本文將特種車輛柴油發動機中的主振源寬激勵和車輛行駛過程中的隨機激勵作為依據，對其減振器進行了設計。其中的減振元件包括上下兩個鋼絲網塊，通過這兩個鋼絲網塊，可將特種車輛中的寬頻帶激勵源振動能量吸收和耗散。憑借著一致性好、變形小、摩擦阻尼大、軟化剛度高等的諸多優勢，該減振器可讓特種車輛運行中的共振峰得以有效抑制，從而達到良好的隔振減振效果[1]。圖1是本文所設計的特種車輛減振器整體結構示意圖。

2.2 金屬絲網減振器的性能設計

在特種車輛減振器中，金屬橡膠彈性元件（金屬絲網）參數及其荷載都將會直接影響到其減振性能。

由試驗可知，金屬絲網的密度會對減振器性能產生很大基于此，在本設計中，為實現減振器金屬絲網密度達到最佳，特選擇了五種密度不同的金屬網塊進行減振器制作，其密度分別是0.70g/cm3、0.90g/cm3、1.18g/cm3、1.60g/cm3以及1.65g/cm3；并在四種不同質量加載條件下對其進行振動試驗，其質量加載值分別為2.5kg、5.0kg、7.5kg以及10.0kg。通過實際的試驗現象觀察發現，在金屬絲網密度一致的情況下，隨著加載質量的提升，其自身固有的頻率逐漸降低，但是其阻尼比并未受其影響；在加載質量相同的情況下，隨著金屬絲網密度的增加，其阻尼比逐漸減小，但是其自身固有頻率并未受到影響；在金屬絲網密度為1.18g/cm3以下時，其具有較大的靜剛度增幅；在金屬絲網密度為1.18g/cm3以上時，其靜剛度不再有明顯增加趨勢[2]。

通過上述分析可知，當金屬網塊密度不同的情況下，其阻尼比與剛度性能都會出現較大的反差值。將上述試驗分析結果作為依據，通過特種車輛中的懸置系統分析，結合各方面的應用需求，最終將其減振器中的金屬絲網密度選為0.90g/cm3。通過進一步試驗和分析發現，該密度的金屬絲網在各種荷載條件下的阻尼比和靜剛度都比較大，將其應用到特種車輛減振器中，便可使其具備較強的承載能力與減振性能。

3 特種車輛減振結構耐久性試驗分析

3.1 試驗方案

因為特種車輛中的減振結構需要在復雜的工況下應用，所以其耐振性和耐久性都具有較高的要求。基于此，本次主要以額定荷載的方式對其實際工況進行模擬，以此來進行金屬絲網耐久性試驗方案的設計。

3.2 隨機功率譜響應計算

隨機信號屬于時域無線信號，在對其進行譜分析的過程中，需要根據帶由統計特征的功率譜來分析。具體操作中，其主要的步驟包括以下幾個：第一是建立一個通過白噪聲序列生成平穩信號序列的系統；其中的白噪聲序列用u（n）表示，平穩信號序列用x（n）表示，系統用H（z）表示；第二是通過x（n）序列或者是其自相關函數rx（m）對H（z）系統參數進行估計；第三是將H（z）系統參數作為依據，對x（n）序列功率譜進行估計[3]。以下是RA模型的具體表達式：

其中的x（n）是自回歸時間序列，u（n）是帶寬白噪聲，它呈正態分布，帶有零均值，其方差為σB2；N代表序列長度；k代表濾波器階數；a代表模型系數。將該表達式用作系統中的輸入輸出方程，u（n）是輸入的白噪聲，x（n）是有限帶寬白噪聲激勵作用下的輸出值，借助于傳遞函數，便可實現其信號單邊譜的科學求解。

3.3 耐久性試驗頻譜分析

本耐久性試驗，減振器所經過的寬頻試驗段共有六個，每一個試驗段上都進行了五個窄帶的疊加，試驗總用時是562.5min，相當于特種車輛連續運行20000km。通過六個試驗段中的響應功率譜密度曲線觀察發現，當路譜不同的條件下，該振動器的振幅出現了明顯下降現象，但是總能量并沒有顯著降低，低頻區的震動能量比較集中，尤其是在15-20Hz這一低頻范圍內，其振動能量更加集中，振動峰值不斷變小，共振峰產生也受到了很大抑制，同時對高頻帶振動實現了有效隔離。由此可見，本次所設計的特種車輛減振結構的低頻減振性能以及高頻隔振性能十分良好，可達到很好的抗沖擊效果。

3.4 耐久性試驗動態特征分析

在對本次所設計的特種車輛減振結構進行動態試驗的過程中，主要應用的是正線掃頻法，對和振動臺相等的振幅以及加速度進行正線掃頻，其中，振動臺的振動幅度是25.4mm，振動頻率在5-6.254Hz之間；加速度值是2g，振動頻率在5-500Hz之間。每一次的掃描頻率控制在5-500Hz之間，掃描時間控制為15min，共進行了四次掃描，總用時為60min[4]。將試驗獲得的固有頻率、阻尼比、共振放大因子以及隔離頻帶與試驗之前進行對比，表1是具體的動態參數對比情況：

表1 次耐久性試驗之前和試驗之后的減振結構動態參數對比情況

通過以上各項動態參數對比可知，在本耐久性試驗之后，該減振器自身的固有頻率及其共振放大因子都出現了降低情況，阻尼比出現了增大情況，但隔離頻帶的變化并不明顯。圖2是額定荷載作用下對減振器進行正線掃描所獲得的傳遞率曲線：

圖2 額定荷載作用下對減振器進行正線掃描所獲得的傳遞率曲線

通過上述曲線圖可知，在高頻帶范圍中，伴隨著頻率的增大，該減振器的傳遞率也在增加，從而使其高頻帶隔振效果更強。傳遞曲線在耐久性試驗前后的變化情況比較明顯，特別是低頻帶中，傳遞率更是受到了較大影響，使其在低頻范圍中的傳遞率降低，這樣就降低了其低頻范圍中的 減振效果。表2是減振器傳遞率在本次耐久性試驗前后的變化情況：

表2 減振器傳遞率在本次耐久性試驗前后的變化情況

經進一步分析可知，在進行耐久性試驗之后，因低頻范圍中的減振器傳遞率降低，使其減振性能也受到了不良影響，所以其減振效果也會變差。但是因其減振頻帶比較寬，所以并不會出現減振失效情況，且其高頻帶區域內的減振效果會加強，所以其整體的減振性能依然可以保持良好，減振器耐久性也可以得到良好保障。通過以上數據可知，在激振頻率為100Hz及以下的情況下，減振器的傳遞率在耐久性試驗之后有所降低，但是其降低趨勢并不十分明顯，最大減振效果達到了93.38%[5]。由此可見，本次所設計的特種車輛減振器具有很好的動態耐久性。

3.5 耐久性試驗靜態特征分析

在對本特種車減振器進行靜態試驗的過程中，主要應用的是標準試驗加載法，按照從零級加載到額定荷載20倍（0-8000N）的方式對減振器進行重力加載，在達到其額定荷載20倍之后保持30s時間，再逐漸將荷載卸載到零。之后再立即按照上述方法重新進行一次靜態加載試驗，對兩次加載以及卸載過程中的減振器變形值隨荷載數據變化情況進行記錄，以此來實現荷載-變形關系曲線圖的獲得，如圖2所示：

通過對比分析可知，在進行了耐久性試驗之后，因金屬絲網內部彈性恢復力出現了變化，所以使其位移發生變化，從而使其剛度軟化，并降低了其阻尼比，最終降低了其減振效果。

圖3 靜態耐久性試驗前后的減振器靜剛度荷載-變形曲線圖

通過損傷情況對比可知，相比較靜態耐久性試驗前，在對該減振器進行了靜態耐久性試驗之后，整體減振器的結構依然完好，其表面上并沒有變形和裂紋等情況出現；金屬絲網整體結構也比較完整，僅僅有部分斷絲情況出現。表4是該減振器在靜態耐久性試驗前后的質量變化情況：

表3 靜態耐久性試驗前后的減振器靜載數據對比情況

表4 該減振器在靜態耐久性試驗前后的質量變化情況

通過以上數據可知，在靜態耐久性試驗過程中，之所以會出現金屬絲網鋼絲斷裂問題，其主要原因是當第一次荷載到額定荷載的20倍并卸載之后，在沒有及時反彈的情況下又進行了第二次加載試驗。這樣的加載方式就使得金屬絲網出現了塑性變形，在塑性變形達到了一定的次數之后，便會對金屬絲網中的不銹鋼絲造成疲勞破壞，從而使局部的鋼絲斷裂，金屬絲網中的鋼絲強度也出現了明顯下降趨勢。基于此，在具體應用中，需要對其荷載力加以控制，使其盡量不超出額定值，這樣便可實現減振器耐久性的良好保障；如果荷載力超出了額定值，在卸載過后需要盡量給金屬絲網預留一定的反彈時間，之后再進行下一次的荷載力施加[6]。通過這樣的方式，便可讓減振器得到良好保護，防止其金屬絲網出現鋼絲斷裂問題，以此來保障減振器的使用壽命，并實現特種車輛耐久性的良好保障。

4 結語

綜上所述，在對特種車輛中的減振器進行設計時，務必對特種車輛的應用環境全面考慮，然后以此為依據，對特種車輛減振器的造型進行設計，并對其減振材料進行合理選擇。完成了此類減振器結構設計之后，還需要通過科學的方式對其進行耐久性試驗，以此來確保其設計可靠性。本文還對一種基于金屬絲網設計的特種車輛減振器進行了耐久性試驗，經試驗發現，雖然該減振器在隨機振動沖擊作用下的低頻區域內傳遞率降低、阻尼比減小和靜剛度降低等情況，且在極端疲勞損傷作用下會出現少量的金屬絲網斷絲現象，但總體耐久性依然可靠，可滿足特種車輛的實際應用需求。