工程師論文：礦用運輸車平順性評價數(shù)據(jù)指標探究

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1、工程師論文：礦用運輸車平順性評價數(shù)據(jù)指標探究 　　摘要：　礦用運輸車工作環(huán)境惡劣，路面激勵產(chǎn)生的振動較大。為了對其平順性進行研究，筆者建立了該礦用運輸車的仿真模型和路面激勵模型，在ADMAS中進行了平順性仿真，得到了車輛在兩種路況下的不舒適參數(shù)數(shù)值，通過比較分析，車輛平順性尚可，可以進一步改進設(shè)計。 　　關(guān)鍵詞：　礦用運輸車; 仿真; 平順性; 路面激勵; 　　汽車平順性作為汽車一項重要的技術(shù)性能指標，越來越受到關(guān)注。礦用運輸車作為一種工礦用車輛其平順性不僅僅影響到駕駛過程中駕駛員的舒適程度，也因為振動對貨箱及車輛整體結(jié)構(gòu)的不良影響而尤顯重要。大量的調(diào)查

2、表明，礦用運輸車上的人乘車過程中有過難受、暈車甚至嘔吐的經(jīng)歷，無法高效地集中精力完成運輸工作[1]；而且由于路面不平產(chǎn)生顛簸振動激勵，使得礦用運輸車的車體結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變形、斷裂，車廂中的貨物也因為振動而受損[2,3]。所以在礦用運輸車定型量產(chǎn)前通過平順性試驗研究來提高車輛的舒適性和可靠性具有重要意義。 　　1、 平順性評價方法 　　車輛行駛平順性主要是考察在振動和沖擊下乘員的舒適性程度。每人的主觀感受是不同的，所以主觀評價的方法過于模糊，并且得出的結(jié)論可能差別較大。因此本文采用客觀的評價方法來對平順性進行評估，可以定量定性地進行研究。目前對于平順性研究常用的客觀

3、評價方法有國際標準ISO2631“關(guān)于全身振動評價指南”標準和吸收功率法[4]。 　　在ISO2631中對于人體振動評價主要是通過人體坐姿受振模型來進行考察的，人體坐姿受振模型如圖1所示，根據(jù)標準，圖中繪制出了12個振動分量，分別是人體與座椅靠背接觸中心的XYZ三軸方向的線振動和角振動、人體與座椅座位接觸中心的XYZ三軸方向的線振動和角振動、人體腳面接觸中心的XYZ三軸方向的線振動和角振動。 　　ISO2631標準規(guī)定對不同軸向和不同頻率的線振動和角振動人體有不同的敏感程度。對于人體與座椅座位接觸中心的XYZ三軸方向來說，垂直方向的頻率加權(quán)函數(shù)在頻率范圍為4Hz

4、～12.5Hz時人體受振較為敏感，在8Hz～12.5Hz范圍時，人體的脊椎受振動影響較大，此外，在4Hz～8Hz頻率范圍內(nèi)人體的臟器容易發(fā)生共振。水平方向上的頻率加權(quán)函數(shù)在0.5Hz～2Hz范圍內(nèi)時人體受振感覺不適。 　　圖1 人體坐姿受振模型 　　ISO2631標準推薦用1/3倍頻帶評價法和總加權(quán)值評價法對人體承受的振動進行評價。1/3倍頻帶評價法認為：同時有多個1/3倍頻帶都有振動能量作用于人體時，各頻帶振動的作用無明顯聯(lián)系，對人體產(chǎn)生影響的主要是由人體感覺的振動強度最大的（折算到人體敏感頻帶范圍以后）一個1/3倍頻帶所造成[5]。1/3倍頻帶評價法的缺陷在于沒有考

5、慮不同頻率加速度均方根值的影響以及不同方向振動的影響[6,7]。因此，現(xiàn)在多不采用1/3倍頻帶評價法開展研究。所以本文中采用總加權(quán)值評價法對車輛振動情況進行評價。 　　總加權(quán)值評價法是一種客觀評價方法，以機械設(shè)備振動中的各個物理數(shù)據(jù)為評價指標，研究中主要考慮路面激勵對車輛的振動影響，因此通過仿真分析，得到人體受到的振動物理數(shù)據(jù)大小來判斷舒適性程度。根據(jù)ISO2631標準以及國家標準GB/T 4970“汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法”和GB/T 5902“汽車平順性脈沖輸入行駛試驗方法”，人體對傳遞給自己的振動可以通過座椅在路面激勵下的加速度變化來衡量。研究主要通過不同車速下、不

6、同路面激勵下的座椅加速度響應(yīng)來評價礦用運輸車的平順性。 　　2、 路面激勵模型的創(chuàng)建 　　根據(jù)GB/T 7031“機械振動道路路面譜測量數(shù)據(jù)報告”，按功率譜密度的不同將路面等級分為八級，其中，A級路面最為平坦，每級路面的不平度系數(shù)的范圍和均值逐步遞增。 　　車輛行駛在不同等級的路面上，由于路面的顛簸起伏的激勵，車輛會受到?jīng)_擊載荷與振動的不良影響，在進行虛擬樣機仿真時，需要充分根據(jù)路面的不平度情況對路面進行合理建模。路面不平度一般通過路面功率譜密度來定義，縱向路面不平度模型如圖2所示[8]。 　　圖2 路面不平度模型 　　根

7、據(jù)汽車平順性行駛試驗的標準細則，引發(fā)汽車振動的路面激勵形式主要有兩種。一種是在等級取值范圍內(nèi)隨機波動的不平路面，這種路面的生成是一個隨機過程，可以用統(tǒng)計數(shù)據(jù)來描述其特性，也成為隨機輸入路面。一種是非典型的沖擊性路面，這種路面不能直接用統(tǒng)計數(shù)據(jù)來描述特征，只能用具體的幾何尺寸數(shù)據(jù)來定義，一般也成為脈沖輸入路面。 　　上述兩種路面形式都可按照GB4970“汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法”等標準的規(guī)定，利用計算機程序語言編寫隨機路面生成程序，通過輸入?yún)?shù)，得到所需要的路面等級文件。 　　本文研究中，對比較典型的兩種礦用路面進行平順性研究。一種是井下路面硬化后的道路，采

8、用B級混凝土路面模型；另外一種是巷道中未硬化的碎石和泥土路面，采用E級坑洼路面模型。這兩種路面模型中同時采用了隨機輸入和脈沖輸入的路面形式。根據(jù)GB/T7031輸入對應(yīng)參數(shù)，在ADAMS中建立路面模型，并且設(shè)定好這兩種路面模型動摩擦、靜摩擦系數(shù)。 　　3、 平順性仿真 　　在ADMAS中建立礦用運輸車的三維仿真虛擬樣機模型，礦用運輸車中的鋼板彈簧和輪胎可以設(shè)定為柔性體。 　　在ADMAS中，為用戶提供了多種輪胎模型用于整車多體動力學(xué)仿真，分別Fiala輪胎模型、Magic-Formula輪胎模型、UA輪胎模型及用戶自定義的輪胎模型等。

9、 　　礦用運輸車使用實心填充輪胎，在仿真建模中創(chuàng)建正確的輪胎模型，直接影響到車輛整車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)多體動力學(xué)仿真準確性?？紤]到工程仿真的實際需要，研究使用UA輪胎模型，該模型將輪胎視為由一系列的三維彈簧單元組成，每個三維彈簧單元又可看為相互垂直的彈簧阻尼器以傳遞垂直徑向作用力、縱向作用力和側(cè)向作用力，且模型所需參數(shù)較少，能夠全面準確的仿真輪胎特性[9]。 　　研究乘員的平順性影響時，應(yīng)把座椅也設(shè)定為柔性體；車體的其余結(jié)構(gòu)可以認為是剛性體。最終與路面模型一起組建成一套完成的剛?cè)狁詈系奶摂M樣機模型，如圖3所示。 　　圖3 整車虛擬樣機模型 　　參照國家標準GB

10、/T 4970“汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法”的要求在ADMAS中對礦用運輸車進行平順性仿真試驗。選用B級混凝土路面和E級坑洼路面分行仿真，試驗車速為：17m/h、30m/h。其中17m/h是礦用運輸車二擋速度，30km/h是礦用運輸車三擋速度，車輛運輸過程中主要為三擋速度行駛。 　　3.1、 B級混凝土路面激勵的仿真 　　礦用運輸車在B級混凝土路面上仿真試驗時，求解結(jié)果設(shè)定為座椅位置XYZ三個軸向方向的加速度數(shù)值，根據(jù)結(jié)果中隨時間變化的加速度曲線獲得功率譜密度曲線，將曲線中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序中進行換算，得到加權(quán)加速度均方根值。 　　當行駛在17k

11、m/h的試驗車速下時，座椅位置的三個軸向方向總加權(quán)加速度均方根值為0.261m/s2。當行駛在30km/h的試驗車速下時，乘員在X與Y兩個水平方向上的加速度功率譜密度僅有少部分在1Hz～2Hz范圍內(nèi)，此時基本不會給乘員帶來不適。垂直Z軸方向，加速度功率譜密度僅有少部分在4Hz～8Hz范圍內(nèi)，不會引起乘員的不適。綜合考慮該車以30km/h的試驗車速在B級混凝土路面上行駛時，仿真得到的座椅處加速度均方根值為0.311m/s2。在兩種車速下試驗求得的加速度均方根值都小于0.315 m/s2，按照平順性等級劃分，不舒適參數(shù)較小，平順性評價為A級。乘員不會有不適感，該車在B級混凝土路面上行駛的平順性較好

12、。 　　3.2、 E級坑洼路面激勵的仿真 　　礦用運輸車在E級坑洼路面上的仿真步驟與在混凝土路面上仿真的步驟類似，要求礦用運輸車模型分別以17km/h、30km/h的試驗車速在E級坑洼路面上仿真，ADAMS后處理模塊可以求解出平順性數(shù)據(jù)，以此為評價依據(jù)進行評估。以常用車速30km/h為例，通過仿真，可以知道，乘員在X與Y兩個水平方向上的加速度功率譜密度主要分布在1Hz～3Hz，此時乘員會感覺有一些不適。垂直Z軸方向，加速度功率譜密度僅有少部分在4Hz～8Hz范圍內(nèi)，不會引起乘員的不適。總體來說，該車在E級坑洼路面上行駛時，在30km/h的試驗車速下得到的座椅處加

13、速度均方根值在0.8m/s2～1.6m/s2之間，平順性評價為D級。因此，礦用運輸車在E級坑洼路面上全速行駛時顛簸較厲害，人體會感覺不舒服。 　　3.3、 仿真結(jié)果分析與評價 　　根據(jù)前面的仿真結(jié)果可以看出，礦用運輸車在2種行駛速度時，乘員在垂直Z軸方向的加速度功率譜密度的峰值主要是在低頻率區(qū)域，在高頻率區(qū)域波形平緩，數(shù)值很低，在水平上的兩個方向波形類似，加速度響應(yīng)的功率譜密度的峰值都不在敏感區(qū)域內(nèi)，不會對人體造成傷害，只是在車速30km/h時會因為E級坑洼路面的激勵使人受到振動感覺不舒服。 　　通過不同車速下的仿真試驗結(jié)果可知，車速和路面激勵對

14、平順性影響較大，車速越快，路面狀況越差，車輛顛簸得就會越厲害，車輛平順性越來越差；反之，車輛的平順性越優(yōu)，這與現(xiàn)實經(jīng)驗相符。 　　車輛懸架和輪胎的剛度和阻尼對平順性也有較大的影響。剛度增加會增加振動加速度響應(yīng)，剛度減少則振動加速度響應(yīng)變?nèi)酰蛔枘釀t不同，如果增加懸架阻尼，振動加速度響應(yīng)會變?nèi)?，反之則變強。因此適當降低礦用運輸車懸架剛度，增加礦用運輸車懸架阻尼能提高車輛的平順性。 　　4、 結(jié)束語 　　本研究建立了平順性仿真所需要的路面激勵模型和虛擬樣機模型，按照平順性評價的國內(nèi)外標準要求進行仿真試驗，求得乘員加速度響應(yīng)，并對仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進一步計算處

15、理，分析了各個平順性評價數(shù)據(jù)指標。仿真結(jié)果與標準進行對比表明，該車的平順性尚可，但還有進一步的提升空間。 　　參考文獻 　　[1] 林敏.基于虛擬激勵法的汽車平順性仿真研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011. 　　[2] 伍生宏，饒俊良.礦用無軌車正弦路面激勵仿真研究[J].機械工程師，2018(2):57-59. 　　[3] 胡曉輝，饒俊良，陳毅培.基于虛擬樣機的防爆膠輪車輕量優(yōu)化研究[J].煤礦機械，2014,35(6):58-60. 　　[4] 張志飛，徐中明，賀巖松.汽車平順性客觀評價方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2010,33(4):14-20.

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