特種車輛減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其耐久性試驗(yàn)分析

曹喆

西安華雷船舶實(shí)業(yè)有限公司 陜西省西安市 710068

1 引言

對(duì)特種車輛而言，其減振器的性能會(huì)對(duì)車輛性能產(chǎn)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(duì)特種車輛減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其做科學(xué)的耐久性試驗(yàn)，以此來滿足其減振效果與耐久性。

2 特種車輛減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 金屬絲網(wǎng)減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文將特種車輛柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的主振源寬激勵(lì)和車輛行駛過程中的隨機(jī)激勵(lì)作為依據(jù)，對(duì)其減振器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其中的減振元件包括上下兩個(gè)鋼絲網(wǎng)塊，通過這兩個(gè)鋼絲網(wǎng)塊，可將特種車輛中的寬頻帶激勵(lì)源振動(dòng)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(yōu)勢(shì)，該減振器可讓特種車輛運(yùn)行中的共振峰得以有效抑制，從而達(dá)到良好的隔振減振效果[1]。圖1是本文所設(shè)計(jì)的特種車輛減振器整體結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2 金屬絲網(wǎng)減振器的性能設(shè)計(jì)

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

由試驗(yàn)可知，金屬絲網(wǎng)的密度會(huì)對(duì)減振器性能產(chǎn)生很大基于此，在本設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)減振器金屬絲網(wǎng)密度達(dá)到最佳，特選擇了五種密度不同的金屬網(wǎng)塊進(jìn)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(zhì)量加載條件下對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，其質(zhì)量加載值分別為2.5kg、5.0kg、7.5kg以及10.0kg。通過實(shí)際的試驗(yàn)現(xiàn)象觀察發(fā)現(xiàn)，在金屬絲網(wǎng)密度一致的情況下，隨著加載質(zhì)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(zhì)量相同的情況下，隨著金屬絲網(wǎng)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(wǎng)密度為1.18g/cm3以下時(shí)，其具有較大的靜剛度增幅；在金屬絲網(wǎng)密度為1.18g/cm3以上時(shí)，其靜剛度不再有明顯增加趨勢(shì)[2]。

通過上述分析可知，當(dāng)金屬網(wǎng)塊密度不同的情況下，其阻尼比與剛度性能都會(huì)出現(xiàn)較大的反差值。將上述試驗(yàn)分析結(jié)果作為依據(jù)，通過特種車輛中的懸置系統(tǒng)分析，結(jié)合各方面的應(yīng)用需求，最終將其減振器中的金屬絲網(wǎng)密度選為0.90g/cm3。通過進(jìn)一步試驗(yàn)和分析發(fā)現(xiàn)，該密度的金屬絲網(wǎng)在各種荷載條件下的阻尼比和靜剛度都比較大，將其應(yīng)用到特種車輛減振器中，便可使其具備較強(qiáng)的承載能力與減振性能。

3 特種車輛減振結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)方案

因?yàn)樘胤N車輛中的減振結(jié)構(gòu)需要在復(fù)雜的工況下應(yīng)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(duì)其實(shí)際工況進(jìn)行模擬，以此來進(jìn)行金屬絲網(wǎng)耐久性試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

3.2 隨機(jī)功率譜響應(yīng)計(jì)算

隨機(jī)信號(hào)屬于時(shí)域無線信號(hào)，在對(duì)其進(jìn)行譜分析的過程中，需要根據(jù)帶由統(tǒng)計(jì)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(gè)：第一是建立一個(gè)通過白噪聲序列生成平穩(wěn)信號(hào)序列的系統(tǒng)；其中的白噪聲序列用u（n）表示，平穩(wěn)信號(hào)序列用x（n）表示，系統(tǒng)用H（z）表示；第二是通過x（n）序列或者是其自相關(guān)函數(shù)rx（m）對(duì)H（z）系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)；第三是將H（z）系統(tǒng)參數(shù)作為依據(jù)，對(duì)x（n）序列功率譜進(jìn)行估計(jì)[3]。以下是RA模型的具體表達(dá)式：

其中的x（n）是自回歸時(shí)間序列，u（n）是帶寬白噪聲，它呈正態(tài)分布，帶有零均值，其方差為σB2；N代表序列長(zhǎng)度；k代表濾波器階數(shù)；a代表模型系數(shù)。將該表達(dá)式用作系統(tǒng)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(lì)作用下的輸出值，借助于傳遞函數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)其信號(hào)單邊譜的科學(xué)求解。

3.3 耐久性試驗(yàn)頻譜分析

本耐久性試驗(yàn)，減振器所經(jīng)過的寬頻試驗(yàn)段共有六個(gè)，每一個(gè)試驗(yàn)段上都進(jìn)行了五個(gè)窄帶的疊加，試驗(yàn)總用時(shí)是562.5min，相當(dāng)于特種車輛連續(xù)運(yùn)行20000km。通過六個(gè)試驗(yàn)段中的響應(yīng)功率譜密度曲線觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)路譜不同的條件下，該振動(dòng)器的振幅出現(xiàn)了明顯下降現(xiàn)象，但是總能量并沒有顯著降低，低頻區(qū)的震動(dòng)能量比較集中，尤其是在15-20Hz這一低頻范圍內(nèi)，其振動(dòng)能量更加集中，振動(dòng)峰值不斷變小，共振峰產(chǎn)生也受到了很大抑制，同時(shí)對(duì)高頻帶振動(dòng)實(shí)現(xiàn)了有效隔離。由此可見，本次所設(shè)計(jì)的特種車輛減振結(jié)構(gòu)的低頻減振性能以及高頻隔振性能十分良好，可達(dá)到很好的抗沖擊效果。

3.4 耐久性試驗(yàn)動(dòng)態(tài)特征分析

在對(duì)本次所設(shè)計(jì)的特種車輛減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的過程中，主要應(yīng)用的是正線掃頻法，對(duì)和振動(dòng)臺(tái)相等的振幅以及加速度進(jìn)行正線掃頻，其中，振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)幅度是25.4mm，振動(dòng)頻率在5-6.254Hz之間；加速度值是2g，振動(dòng)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(shí)間控制為15min，共進(jìn)行了四次掃描，總用時(shí)為60min[4]。將試驗(yàn)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(yàn)之前進(jìn)行對(duì)比，表1是具體的動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)比情況：

表1 次耐久性試驗(yàn)之前和試驗(yàn)之后的減振結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)比情況

通過以上各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)比可知，在本耐久性試驗(yàn)之后，該減振器自身的固有頻率及其共振放大因子都出現(xiàn)了降低情況，阻尼比出現(xiàn)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(duì)減振器進(jìn)行正線掃描所獲得的傳遞率曲線：

圖2 額定荷載作用下對(duì)減振器進(jìn)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(qiáng)。傳遞曲線在耐久性試驗(yàn)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(yàn)前后的變化情況：

表2 減振器傳遞率在本次耐久性試驗(yàn)前后的變化情況

經(jīng)進(jìn)一步分析可知，在進(jìn)行耐久性試驗(yàn)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(huì)變差。但是因其減振頻帶比較寬，所以并不會(huì)出現(xiàn)減振失效情況，且其高頻帶區(qū)域內(nèi)的減振效果會(huì)加強(qiáng)，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(shù)據(jù)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(yàn)之后有所降低，但是其降低趨勢(shì)并不十分明顯，最大減振效果達(dá)到了93.38%[5]。由此可見，本次所設(shè)計(jì)的特種車輛減振器具有很好的動(dòng)態(tài)耐久性。

3.5 耐久性試驗(yàn)靜態(tài)特征分析

在對(duì)本特種車減振器進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)的過程中，主要應(yīng)用的是標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)加載法，按照從零級(jí)加載到額定荷載20倍（0-8000N）的方式對(duì)減振器進(jìn)行重力加載，在達(dá)到其額定荷載20倍之后保持30s時(shí)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(jìn)行一次靜態(tài)加載試驗(yàn)，對(duì)兩次加載以及卸載過程中的減振器變形值隨荷載數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行記錄，以此來實(shí)現(xiàn)荷載-變形關(guān)系曲線圖的獲得，如圖2所示：

通過對(duì)比分析可知，在進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)之后，因金屬絲網(wǎng)內(nèi)部彈性恢復(fù)力出現(xiàn)了變化，所以使其位移發(fā)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(tài)耐久性試驗(yàn)前后的減振器靜剛度荷載-變形曲線圖

通過損傷情況對(duì)比可知，相比較靜態(tài)耐久性試驗(yàn)前，在對(duì)該減振器進(jìn)行了靜態(tài)耐久性試驗(yàn)之后，整體減振器的結(jié)構(gòu)依然完好，其表面上并沒有變形和裂紋等情況出現(xiàn)；金屬絲網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)也比較完整，僅僅有部分?jǐn)嘟z情況出現(xiàn)。表4是該減振器在靜態(tài)耐久性試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化情況：

表3 靜態(tài)耐久性試驗(yàn)前后的減振器靜載數(shù)據(jù)對(duì)比情況

表4 該減振器在靜態(tài)耐久性試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化情況

通過以上數(shù)據(jù)可知，在靜態(tài)耐久性試驗(yàn)過程中，之所以會(huì)出現(xiàn)金屬絲網(wǎng)鋼絲斷裂問題，其主要原因是當(dāng)?shù)谝淮魏奢d到額定荷載的20倍并卸載之后，在沒有及時(shí)反彈的情況下又進(jìn)行了第二次加載試驗(yàn)。這樣的加載方式就使得金屬絲網(wǎng)出現(xiàn)了塑性變形，在塑性變形達(dá)到了一定的次數(shù)之后，便會(huì)對(duì)金屬絲網(wǎng)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(wǎng)中的鋼絲強(qiáng)度也出現(xiàn)了明顯下降趨勢(shì)。基于此，在具體應(yīng)用中，需要對(duì)其荷載力加以控制，使其盡量不超出額定值，這樣便可實(shí)現(xiàn)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(wǎng)預(yù)留一定的反彈時(shí)間，之后再進(jìn)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(hù)，防止其金屬絲網(wǎng)出現(xiàn)鋼絲斷裂問題，以此來保障減振器的使用壽命，并實(shí)現(xiàn)特種車輛耐久性的良好保障。

4 結(jié)語

綜上所述，在對(duì)特種車輛中的減振器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必對(duì)特種車輛的應(yīng)用環(huán)境全面考慮，然后以此為依據(jù)，對(duì)特種車輛減振器的造型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其減振材料進(jìn)行合理選擇。完成了此類減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，還需要通過科學(xué)的方式對(duì)其進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，以此來確保其設(shè)計(jì)可靠性。本文還對(duì)一種基于金屬絲網(wǎng)設(shè)計(jì)的特種車輛減振器進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然該減振器在隨機(jī)振動(dòng)沖擊作用下的低頻區(qū)域內(nèi)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(huì)出現(xiàn)少量的金屬絲網(wǎng)斷絲現(xiàn)象，但總體耐久性依然可靠，可滿足特種車輛的實(shí)際應(yīng)用需求。