新型準零剛度果蔬運輸隔振系統(tǒng)設計

鐵世萃，王花蘭

新型準零剛度果蔬運輸隔振系統(tǒng)設計

鐵世萃1，王花蘭2

（1.青海交通職業(yè)技術學院，西寧 810000；2.蘭州交通大學，蘭州 730070）

為避免果蔬在運輸過程中因振動造成損傷，導致價值下降，基于準零剛度隔振技術，提出一種采用緊湊、高效的彈簧–滾輪–滾珠負剛度機構的新型果蔬運輸隔振箱裝置。首先，基于彈簧–滾輪–滾珠負剛度機構與垂向正剛度彈簧并聯(lián)的方式設計準零剛度果蔬運輸隔振系統(tǒng)結構；其次，分析其靜力學特性，推導該非線性隔振裝置的剛度特性；最后，在果蔬運輸系統(tǒng)模型運動微分方程基礎上建立Simulink仿真模型，研究在C級路面激勵下，該新型運輸隔振系統(tǒng)的動態(tài)隔振特性。研究結果表明，通過合理的結構參數(shù)設計，該隔振裝置在平衡點附近將具有高靜態(tài)剛度、低動態(tài)剛度的準零剛度特性。在C級路面激勵下，該新型運輸隔振系統(tǒng)的振動位移峰的峰值相較于對應線性系統(tǒng)的衰減約29.3%，加速度均方根值衰減約97.3%。設計合理的新型果蔬運輸系統(tǒng)的隔振效率優(yōu)于對應的線性隔振系統(tǒng)的。

果蔬運輸；準零剛度；隔振設計；非線性

果蔬類農產品在農村經濟中占有重要地位，是鄉(xiāng)村產業(yè)結構調整和我國實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)[1-2]。果蔬類農產品的流通必然需要物流運輸，而物流運輸過程中長時間的振動是導致果蔬機械損傷的重要原因，我國每年有大量的水果和蔬菜由于機械損傷而導致價值降低甚至丟棄[3-5]。高性能的果蔬運輸隔振設計具有重要的研究價值和良好的應用前景[6-7]。

線性隔振裝置由于具有結構簡單、性能可靠等諸多優(yōu)點，被廣泛應用于各類隔振實踐中。為了實現(xiàn)更高的隔振性能，必然要求線性隔振裝置具有更低的剛度，然而這也會導致彈性元件的大變形和穩(wěn)定性下降。準零剛度具有優(yōu)異的高靜態(tài)剛度、低動態(tài)剛度（HSLD）特性，不僅可以可靠地支撐果蔬等貨物，而且可以實現(xiàn)對小幅振動的高性能隔振，是一種優(yōu)良的果蔬運輸隔振方案。

準零剛度隔振系統(tǒng)通常是在正剛度機構的基礎上并聯(lián)等大小的負剛度機構獲得，準零剛度系統(tǒng)往往具有很低的動剛度，從而獲得很低的固有頻率和起始隔振頻率[8-9]。目前，準零剛度隔振系統(tǒng)已經廣泛應用于飛行器振動測試[10]、高性能制造[11-12]、液體輸送管[13]等諸多領域。筆者在之前的研究中采用三彈簧并聯(lián)的方式實現(xiàn)了準零剛度果蔬運輸隔振系統(tǒng)[14]，然而，三彈簧并聯(lián)的準零剛度結構占用的空間較大[15-16]，不利于準零剛度果蔬運輸隔振的廣泛應用。為此文中基于彈簧–滾輪–滾珠負剛度機構與正剛度并聯(lián)的結構開展改進設計，提出一種新型、緊湊的準零剛度果蔬運輸隔振系統(tǒng)。

1 準零剛度隔振裝置結構設計

2 準零剛度隔振裝置的靜力學分析

2.1 力–位移關系

令果蔬車架位移1與車身位移2的相對位移為12=1?2，通過圖1a可以看到，準零剛度隔振裝置的恢復力12與12有以下的分段非線性關系：

圖1 新型準零剛度果蔬運輸隔振系統(tǒng)簡圖

圖2 不同預壓縮量下的力–位移關系

2.2 準零剛度隔振裝置的剛度特性

表1 幾何非線性果蔬運輸隔振裝置結構參數(shù)

Tab.1 Structural parameters of the vibration isolation device for fruit and vegetable transportation with geometric nonlinearity

圖3 不同預壓縮量下的剛度–位移關系

3 果蔬運輸車建模與動力學分析

3.1 基于Simulink的果蔬運輸車的動力學建模

根據圖1a和式（1）建立準零剛度隔振裝置的Simulink模型，見圖4。

根據圖1b和第2節(jié)的分析，具有準零剛度果蔬運輸車四分之一車模型的動力學方程可以描述為：

根據式（8）建立準零剛度果蔬運輸車的仿真模型，見圖5。

3.2 準零剛度果蔬運輸車的隔振特性研究

圖4 準零剛度隔振裝置的Simulink模型

圖5 準零剛度果蔬運輸車的Simulink模型

圖6 濾波白噪聲路面不平度模型

圖7 C級路面激勵下果蔬車架的振動響應

表2 采用不同隔振裝置的果蔬運輸車的振動響應對比

Tab.2 Comparison of vibration response of fruit and vegetable transport vehicle with different vibration isolation devices

4 結語

文中提出了一種基于彈簧–滾輪–滾珠負剛度機構的新型緊湊、高效的果蔬運輸隔振系統(tǒng)。對隔振系統(tǒng)的剛度分析表明，該結構的剛度與振動位移是典型非線性關系，通過合理地設計結構參數(shù)，該裝置在平衡位置附近表現(xiàn)為高靜態(tài)剛度、低動態(tài)剛度的準零剛度特性。在推導果蔬運輸車四分之一車模型微分方程的基礎上，采用Simulink建立了新型果蔬運輸隔振系統(tǒng)模型，研究了在C級路面激勵下，該新型運輸隔振系統(tǒng)的動態(tài)隔振特性。仿真分析結果表明，對于C級路面激勵，該新型果蔬運輸車在全頻段大幅優(yōu)于對應的線性運輸系統(tǒng)，其振動位移響應峰峰值、均方根值均顯著小于對應的線性運輸系統(tǒng)的，其加速度響應的峰峰值、均方根值更是大幅度小于對應的線性運輸系統(tǒng)的。

[1] 范蕊. 長春國愛農場有機果蔬營銷策略研究[D]. 長春: 吉林大學, 2020: 6-42.

FAN Rui. Research on Marketing Strategy of Organic Fruits and Vegetables in Changchun Guoai Farm[D]. Changchun: Jilin University, 2020: 6-42.

[2] 楊杰, 王靈玲, 魯雨軒. 我國果蔬產業(yè)冷鏈物流運輸研究[J]. 糧食科技與經濟, 2020, 45(4): 80-81.

YANG Jie, WANG Ling-ling, LU Yu-Xuan. Research on Cold Chain Logistics Transportation of Fruit and Vegetable Industry in China[J]. Grain technology and economy, 2020, 45(4): 80-81.

[3] 周然, 蘇樹強, 李云飛. 果蔬運輸振動頻譜檢測分析及對水果損傷的研究[J]. 包裝工程, 2007, 28(10): 76-79.

ZHOU Ran, SU Shu-qiang, LI Yun-fei. Analysis of Truck Vibration and Damage to Huanghua Pears during Transport[J]. Packaging Engineering, 2007, 28(10): 76-79.

[4] 李光, 王子蕊, 宋海燕. 蘋果運輸包裝振動損傷預測方法的研究[J]. 振動與沖擊, 2018, 37(8): 251-256.

LI Guang, WANG Zi-rui, SONG Hai-yan. Prediction of Vibration Damage of Apples in Transportation Package[J]. Journal of Vibration and Shock, 2018, 37(8): 251-256.

[5] 昌玥, 范佳雯, 盧文靜, 等. 獼猴桃減振包裝在模擬運輸中的使用效果[J]. 保鮮與加工, 2017, 17(5): 14-19.

CHANG Yue, FAN Jia-wen, LU Wen-jing, et al. Effects of Anti-Vibration Package in Simulated Transportation of Kiwifruit[J]. Storage and Process, 2017, 17(5): 14-19.

[6] 王芳, 魏星, 魏巍, 等. 果蔬運輸受振動·沖擊作用研究進展[J]. 安徽農業(yè)科學, 2015, 43(26): 326-329.

WANG Fang, WEI Xing, WEI Wei, et al. Research Progress on Transport Vibration and Impact Damage of Fruit and Vegetable[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2015, 43(26): 326-329.

[7] 趙蕓, 馬少博, 胡云峰, 等. 運輸過程中振動對蔬菜品質的影響[J]. 天津農業(yè)科學, 2018, 24(5): 75-79.

ZHAO Yun, MA Shao-bo, HU Yun-feng, et al. Effect of Vibration during Transportation on the Quality of Vegetables[J]. Tianjin Agricultural Sciences, 2018, 24(5): 75-79.

[8] 孟令帥. 新型準零剛度隔振器的設計和特性研究[D]. 北京: 中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院, 2015: 2-18.

MENG Ling-shuai. Design and Characteristics Analysis of the Novel Quasi-Zero Stiffness Isolator[D]. Beijing: Academy of Military Medical Sciences, 2015: 2-18.

[9] VIRGIN L, SANTILLAN S, PLAUT R. Vibration Isolation Using Extreme Geometric Nonlinearity[J]. Journal of Sound and Vibration, 2007, 315(3): 721-731.

[10] MOLYNEUX W. The Support of an Aircraft for Ground Resonance Tests: A Survey of Available Methods[J]. Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 1958, 30(6): 160-166.

[11] ZHU Tao, CAZZOLATO B, ROBERTSON W S P, et al. Vibration Isolation Using Six Degree-of-Freedom Quasi-Zero Stiffness Magnetic Levitation[J]. Journal of Sound and Vibration, 2015, 358: 48-73.

[12] 王亞威. 基于非線性準零剛度的精密機床隔振器性能研究[D]. 洛陽: 河南科技大學, 2017: 2-32.

WANG Ya-wei. Study on Performance of Precision Machine Tool Vibration Isolator Based on Nonlinear Quasi-Zero Stiffness[D]. Luoyang: Henan University of Science and Technology, 2017: 2-32.

[13] DING Hu, JI Jin-chen, CHEN Li-qun. Nonlinear Vibration Isolation for Fluid-Conveying Pipes Using Quasi-Zero Stiffness Characteristics[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2019, 121: 675-688.

[14] 應玉萍, 王花蘭. 基于幾何非線性的果蔬運輸隔振系統(tǒng)設計[J]. 包裝工程, 2020, 41(19): 153-158.

YING Yu-ping, WANG Hua-lan. Design of Vibration Isolation System for Fruit and Vegetable Transportation Based on Geometric Nonlinearity[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(19): 153-158.

[15] 王心龍. CRSM準零剛度隔振器的非線性隔振特性及實驗研究[D]. 長沙: 湖南大學, 2015: 3-26.

WANG Xin-long. On Nonlinear Vibration Isolation Characteristics and Experimental Research of a Quasi-Zero-Stiffness Isolator with CRSM[D]. Changsha: Hunan University, 2015: 3-26.

[16] 妥吉英, 鄧兆祥, 張河山, 等. 準零剛度振動傳感系統(tǒng)[J]. 吉林大學學報(工學版), 2019, 49(1): 24-29.

TUO Ji-ying, DENG Zhao-xiang, ZHANG He-shan, et al. Quasi-Zero-Stiffness Vibration Sensor System[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2019, 49(1): 24-29.

[17] 余志生. 汽車理論[M]. 2版(修訂本). 北京: 機械工業(yè)出版社, 1990: 230-260.

YU Zhi-sheng. Automobile Theory[M]. Beijing: China Machine Press, 1990: 230-260.

[18] 張進秋, 黃大山, 姚軍. 車輛懸架系統(tǒng)振動控制[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2020: 38-46.

ZHANG Jin-qiu, HUANG Da-shan, YAO Jun. Vibration Control of Vehicle Suspension System[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2020: 38-46.

[19] GB 7031—86, 車輛振動輸入——路面平度表示方法[S].

GB 7031—86, Vehicle Vibration Input—Expression Method of Road Roughness[S].

Design of a New Quasi-zeroStiffness Vibration Isolation System for Fruit and Vegetable Transportation

TIE Shi-cui1,WANG Hua-lan2

(1.Qinghai Communications Technical College, Xining 810000, China;2.Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

The work aims to propose a new fruit and vegetable transportation vibration isolation box device with compact and efficient spring-roller-ball negative stiffness mechanism based on the quasi-zero stiffness vibration isolation technology, so as to avoid the damage and value decline caused by vibration in fruit and vegetable transportation. Firstly, the structure of vibration isolation system of quasi-zero stiffness for fruit and vegetable transportation was designed based on the parallel connection of spring-roller-ball negative stiffness mechanism and vertical positive stiffness spring; Secondly, the static characteristics were analyzed, and the stiffness characteristics of the nonlinear vibration isolation device were deduced; Finally, based on the motion differential equation of the fruit and vegetable transportation system model, a Simulink simulation model was established to study the dynamic vibration isolation characteristics of the new transportation vibration isolation system under level-C road excitation. The research results showed that the vibration isolation device may have the quasi-zero stiffness with high static stiffness and low dynamic stiffness near the balance point through reasonable design of structure parameters.Compared with the corresponding linear system, the peak to peak value of vibration displacement and the RMS value of acceleration of the new transportation vibration isolation system decreased by 29.3% and 97.3% respectively under level-C road excitation. The vibration isolation efficiency of the new fruit and vegetable transportation system with reasonable design is superior to that of the corresponding linear vibration isolation system.

fruit and vegetable transportation; quasi-zero stiffness; vibration isolation design; nonlinearity

TB485.3；TH113.1

A

1001-3563(2022)17-0102-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.013

2021–10–31

中國物流學會研究課題（2021CSLKT3—158）

鐵世萃（1985—），女，本科，講師，主要研究方向為物流運輸。

王花蘭（1969—），女，博士，教授，主要研究方向為城市交通、物流運輸。

責任編輯：曾鈺嬋