黃宇曼，孫大剛，馮慧杰，燕碧娟

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

履帶車輛大多數(shù)都在“非路面”條件下作業(yè)，復(fù)雜惡劣的環(huán)境對其振動沖擊十分劇烈，劇烈的振動對環(huán)境污染和駕駛員舒適性影響嚴(yán)重。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量相關(guān)研究：國外的H.V.Panossian等[1]提出了結(jié)構(gòu)阻尼采用非阻塞性粒子進(jìn)行減振的技術(shù)；A.PapalouA等[2]研究了粒子阻尼器在隨機(jī)激勵下的減振性能；Shrirang Pandurang Chavan等[3]進(jìn)行了顆粒阻尼在瞬態(tài)振動條件下減振性能的試驗(yàn)研究。國內(nèi)的論文[4]提出了間隔阻尼層式支重輪并進(jìn)行了減振特性分析；鄧文星等[5]提出了橡膠鋼絲網(wǎng)式支重輪并進(jìn)行了減振特性分析；張永鵬等[6]改進(jìn)了EMD在軸承診斷中的應(yīng)用，可用于顆粒阻尼特性研究；胡凓等[7]進(jìn)行了顆粒阻尼動態(tài)特性研究，揭示了顆粒非線性阻尼特性；洪杰等[8]進(jìn)行了金屬橡膠顆粒靜態(tài)特性試驗(yàn)，總結(jié)出材總結(jié)出材料參數(shù)和工藝參數(shù)對顆粒減振性能的影響；閆維明等[9]進(jìn)行了顆粒阻尼應(yīng)用于單自由度結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究。

基于以上研究，結(jié)合了傳統(tǒng)橡膠減振器彈性大、內(nèi)阻尼大、延伸率長的優(yōu)點(diǎn)和金屬顆粒減振器頻帶寬，沖擊力小，耐高溫高壓，適于惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，制成了顆?；旌鲜阶枘嶂е剌?。通過建立緩沖模型，進(jìn)行支重輪強(qiáng)度和減振特性仿真分析。

1 建模與分析

1.1 參數(shù)確定與三維模型建立

取某型號履帶推土機(jī)為研究對象，其主要整車參數(shù)如表1所示。該車剛性懸架。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，阻尼比μ=0.3，金屬材料損耗因子β=0.022.經(jīng)對未采取緩沖措施的推土機(jī)測試可知[10]，頻率為4.5 Hz時整車振動最嚴(yán)重。

表1 整車主要參數(shù)

顆粒混合式阻尼帶孔支重輪模型如圖1所示。帶孔支重輪上三個空腔分別為底面直徑d=50 mm高h(yuǎn)=65 mm的圓柱體如圖1a所示。三個空腔沿車輪圓周方向均勻分布，并且空腔位置避開支重輪內(nèi)各種軸承與結(jié)構(gòu)如圖1b所示。阻尼支重輪縱向結(jié)構(gòu)簡圖如圖1c所示。將橡膠顆粒和金屬顆粒按一定比例放入支重輪輪體三個空腔內(nèi)，用密封蓋將空腔進(jìn)行密封，以此來減少支重輪所受振動沖擊。

圖1 混合顆粒阻尼式帶孔支重輪模型Fig.1 Damping model mixed particles in supporting wheel

1.2 緩沖模型建立

以某型號采用剛性懸架的履帶推土機(jī)為例，建立簡化后的系統(tǒng)緩沖模型如圖2所示。假設(shè)：①車身和履帶架為一體，履帶架及車身剛度足夠大。②只考慮推土機(jī)在具有相同功率譜密度函數(shù)的路面上作業(yè)，并且不會發(fā)生傾翻。③顆粒強(qiáng)度足夠大，不考慮顆粒作用破壞。

圖2 系統(tǒng)振動緩沖模型Fig.2 Vibration buffering model of the system

由圖2可知，該系統(tǒng)6輸入2輸出，由于整車車體對稱，本文只研究整車的一半。根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，系統(tǒng)運(yùn)動微分方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

把上式用矩陣表示為：

M/2Z+KZ=q

(8)

式中，K為系統(tǒng)剛度矩陣，M為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，Z為系統(tǒng)位移矩陣，q為地面激勵矩陣。

K=

(i=1～6)

(9)

上述整車放大倍數(shù)為：

Hpq(jw)=

(10)

其中，

D=

(11)

第i個支重輪對振幅放大倍數(shù)為：

(12)

2 支重輪強(qiáng)度分析

將帶孔支重輪模型導(dǎo)入有限元ANSYS中進(jìn)行分析，分別加載靜載荷，動載荷，沖擊載荷三種載荷來分析支重輪強(qiáng)度，應(yīng)變。由于支重輪對稱結(jié)構(gòu)，可取其一半進(jìn)行分析。施加三種載荷工況如下：

(1)靜載荷：推土機(jī)靜止時，支重輪承受整機(jī)質(zhì)量(自重、履帶及懸掛裝置等質(zhì)量除外)，平均每個支重輪所受的載荷為1.45×104N.

(2)動載荷：推土機(jī)正常工作時，支重輪所承受動載荷為其靜載荷的 1.2～3.0 倍，本文取 2.5，平均每個支重輪所受工作載荷為3.63×104N.

(3)大沖擊載荷：此時整機(jī)一半的質(zhì)量全部作用在一個支重輪上，沖擊系數(shù)取1.7，則該支重輪所受沖擊載荷為1.48×105N.

分別在靜載荷、動載荷、大沖擊載荷條件下，取不同孔徑，基于ANSYS得出孔徑與支重輪最大應(yīng)力，最大應(yīng)變的關(guān)系，同時利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到圖3關(guān)系曲線。

圖3 三種工況下帶孔支重輪最大應(yīng)力、應(yīng)變與孔徑關(guān)系Fig.3 Relationship curve of maximum stress， maximum strain and pore diameter of supporting wheel with hole under three working conditions

由圖3可知，靜載荷、動載荷、大沖擊載荷下帶孔支重輪最大應(yīng)力隨孔徑先變大后變小，最大應(yīng)變

隨孔徑變化基本呈穩(wěn)定趨勢；在孔徑30 mm～40 mm時最大應(yīng)力最大，在孔徑40 mm時，最大應(yīng)變最大。本文帶孔支重輪取孔徑50 mm,即阻尼器空腔尺寸為50 mm×65 mm的圓柱體。將孔徑為50 mm的單邊帶孔支重輪導(dǎo)入ANSYS中可得圖4三種工況下帶孔支重輪應(yīng)力變形云圖。

圖4 三種工況下50 mm帶孔支重輪應(yīng)力變形云圖Fig.4 Sress-strain cloud diagram of bore 50 with hole supporting heavy wheel under three working conditions

由圖4可知，該帶孔支重輪在輪邊應(yīng)力應(yīng)變較大，故可在帶孔支重輪空腔內(nèi)填充混合阻尼顆粒進(jìn)行減振。支重輪許用應(yīng)力1.3×105MPa至1.7×105MPa，結(jié)果表明該帶孔支重輪在三種工況下均可滿足條件，故混合顆粒阻尼式帶孔支重輪強(qiáng)度滿足各工況使用要求。

3 支重輪減振特性分析

3.1 顆粒參數(shù)對減振性能影響

圖5 混合顆粒阻尼器減振影響因素變化曲線Fig.5 Variation curve of influencing factors for vibration reduction of mixed particle damper

混合顆粒阻尼器減振性能影響因素有很多，但在使用條件、部位等條件確定下，影響減振性能的主要因素：顆粒直徑，填充率和占比率(V橡膠顆粒/V總顆粒)。本文選取直徑為0mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm等9種金屬顆粒和橡膠顆粒；20%、40%、60%、80%、100%等5種填充率；10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%等8種占比率。編寫MATLAB程序并引入數(shù)據(jù)得到圖5關(guān)系曲線圖。

由圖5可知，在支重輪空腔尺寸等條件一定時阻尼器減振性能與顆粒粒徑、填充率、占比率都相關(guān)。由圖可以得出以下結(jié)論：①保持混合顆粒阻尼器填充率、占比率不變，當(dāng)帶孔支重輪空腔只填充金屬顆粒時，系統(tǒng)響應(yīng)加速度隨顆粒粒徑先減小后增大，顆粒粒徑為3 mm時減振性能最好；當(dāng)只填充橡膠顆粒時，減振性能隨著顆粒粒徑先緩慢減小后增大，顆粒粒徑為5 mm時減振器減振效果最好。②保持混合顆粒阻尼器顆粒粒徑、占比率不變，當(dāng)只填充金屬顆粒時，系統(tǒng)響應(yīng)加速度隨填充率先減小后增大，填充率在90%時，減振效果最好；當(dāng)只填充橡膠顆粒時，系統(tǒng)響應(yīng)加速度隨填充率先緩慢減小后增大，填充率在95%左右時，減振效果最好。③保持混合顆粒阻尼器顆粒粒徑、填充率不變，系統(tǒng)響應(yīng)加速度隨橡膠顆粒體積的增多先減小后增大，占比率(V橡膠顆粒/V總顆粒)為30%時，減振器減振效果最好。因此，混合顆粒阻尼式帶孔支重輪的空腔填充粒徑為3 mm的金屬顆粒和粒徑為5 mm的橡膠顆粒，90%左右的填充率，30%的占比率時，該阻尼支重輪減振效果最佳。

3.2 該阻尼支重輪與傳統(tǒng)支重輪比較

選取上述參數(shù)的阻尼支重輪：填充率為90%、粒徑為3 mm的金屬顆粒、粒徑為5 mm的橡膠顆粒、占比率為30%，混合填充于支重輪空腔內(nèi)。假設(shè)：地面激勵振幅為A，每個支重輪承載質(zhì)量為M/12，作業(yè)坡度為20°.分別對阻尼支重輪與傳統(tǒng)剛性支重輪在三種工況下進(jìn)行仿真分析比較如圖6所示。

圖6 三種工況下支重輪緩沖效果對比Fig.6 Comparison of buffering effect of supporting wheel under three working conditions

由圖6可知，在上坡作業(yè)、平地作業(yè)、極端工況作業(yè)時，頻率為4.5 Hz時系統(tǒng)振動最嚴(yán)重，易發(fā)生共振。由圖可知：①上坡作業(yè)。當(dāng)激勵小于4 Hz時，混合顆粒阻尼式支重輪相對于傳統(tǒng)剛性支重輪振動幅值減少5%左右；當(dāng)4.5 Hz左右時，阻尼支重輪相對于傳統(tǒng)剛性支重輪振幅減少550%左右；當(dāng)激勵大于5 Hz時，混合顆粒阻尼式支重輪相對于傳統(tǒng)剛性支重輪振動幅值減少20%左右。②平地作業(yè)。當(dāng)激勵小于4 Hz時，混合顆粒阻尼式支重輪相對于傳統(tǒng)剛性支重輪振動幅值減少10%左右；當(dāng)激勵為4.5 Hz左右時，混合顆粒阻尼式支重輪相對于傳統(tǒng)剛性支重輪振動幅值減少500%左右；當(dāng)激勵大于5 Hz時，混合顆粒阻尼式支重輪相對于傳統(tǒng)剛性支重輪振動幅值減少20%左右。③極端工況作業(yè)。當(dāng)激勵小于2 Hz時，阻尼支重輪可以起到緩沖作用；當(dāng)激勵為4.5 Hz時，阻尼支重輪和傳統(tǒng)支重輪都發(fā)生共振，阻尼支重輪放大倍數(shù)小些；當(dāng)激勵大于5 Hz時，阻尼支重輪起到緩沖作用。

混合顆粒阻尼式支重輪具有良好的緩沖性能，可避免共振，制作成本低，易更換。

4 結(jié)論

經(jīng)上分析，結(jié)論如下：①經(jīng)有限元分析，混合顆粒阻尼式帶孔支重輪在理論上能應(yīng)用于實(shí)際中。②仿真分析表明，合適的顆粒粒徑，填充率，占比率能提高阻尼支重輪減振性能，能抑制共振。③相對于傳統(tǒng)剛性支重輪，混合顆粒阻尼支重輪減振效果良好。④支重輪空腔位置以及空腔結(jié)構(gòu)有待于繼續(xù)優(yōu)化。