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(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各類(lèi)汽車(chē)的保有量也在不斷增加,重型載重汽車(chē)的超載運(yùn)輸、各種車(chē)輛的超速行駛等在道路上經(jīng)?？梢?jiàn),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(guó)內(nèi)外對(duì)于載重汽車(chē)在不同的載荷條件下對(duì)路基影響的研究主要處于靜態(tài)研究階段,對(duì)于動(dòng)態(tài)研究特別是監(jiān)測(cè)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(duì)路面在承受載荷時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),并作相應(yīng)的分析。裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(chē)輛載荷的作用下存在變形,即車(chē)輛與路面存在耦合作用，采用模擬剛性路面,忽略車(chē)輛與路面間的耦合作用,將模擬車(chē)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(cè)量點(diǎn),各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的影響值就是車(chē)輛對(duì)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(chē)輛載荷結(jié)構(gòu)、動(dòng)力輸出結(jié)構(gòu)、壓力測(cè)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(chē)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(chē)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(guò)鏈條傳遞到絲桿上。當(dāng)電動(dòng)機(jī)通電后,通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn),此時(shí)推桿連接的模擬車(chē)輛作直線運(yùn)動(dòng),模擬車(chē)輛的載荷重力通過(guò)定向輪施加到路基上。由于模擬車(chē)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(cè)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(jiǎn)圖

3 模擬車(chē)輛載荷結(jié)構(gòu)

模擬車(chē)輛載荷結(jié)構(gòu)如圖2所示。四個(gè)定向輪作為模擬車(chē)輛輪胎，一塊5 mm厚的鋼板作為車(chē)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(chē)輛的減振機(jī)構(gòu),同時(shí)也起到固定作用[4]。

▲圖2 模擬車(chē)輛載荷結(jié)構(gòu)

根據(jù)調(diào)研,在道路行駛的轎車(chē)、普通貨車(chē)、面包車(chē)，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(chē)輛,將負(fù)載縮小一定倍數(shù)。模擬車(chē)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(chē)輛振動(dòng)模型

汽車(chē)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(duì)模擬車(chē)輛進(jìn)行了相應(yīng)簡(jiǎn)化[6]，將其簡(jiǎn)化為二自由度模型,如圖3所示。假設(shè)車(chē)輛沿直線運(yùn)動(dòng),且只有垂直振動(dòng)。

▲圖3 模擬車(chē)輛二自由度模型

5 模擬車(chē)輛結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

在模擬車(chē)輛載荷為600 N時(shí)，對(duì)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(duì)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(duì)模擬車(chē)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(chē)輛結(jié)構(gòu)整體變形云圖

6 壓力測(cè)試結(jié)構(gòu)

6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力測(cè)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?gòu)?fù)位。

▲圖9 壓力測(cè)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(lèi)。 剛性路面模型可以看作是由彈性Pasternak地基支撐的無(wú)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(chē)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(chē)輛移動(dòng)的距離,即車(chē)輛所處位置。設(shè)路面的橫向變形為y,縱向變形為x,車(chē)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(zhǎng)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(duì)路基產(chǎn)生的恒力F0對(duì)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(duì)循環(huán)載荷的大小及分布規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),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(yǔ)

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(guò)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析,可對(duì)不同行駛速度和載荷的車(chē)輛對(duì)路面的壓力做出監(jiān)測(cè),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(chē)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(chē)速不能達(dá)到實(shí)際車(chē)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)。