基于路面平整度的貨物約束系統振動響應分析

周　斌，閆鵬磊，趙　燕

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

隨著交通運輸行業及物流的蓬勃發展，貨物運輸安全問題越來越突出。在我國目前貨物運輸大多還是使用傳統的繩索、網罩等捆綁方式，在運輸過程中時常出現散包等事故。因此，推廣使用更為安全有效的貨物約束拉緊器(以下簡稱拉緊器)勢在必行。拉緊器是貨物運輸安全的重要組成部分和關鍵的配套產品，在貨車高速行駛中它也能夠大大提高貨車及貨物的安全系數[1-2]。在歐美發達國家拉緊器是作為強制性的標準來使用的，國內目前已經出臺了相應的拉緊器標準，但還處于非強制性執行階段，對于拉緊器在使用過程中對貨物的約束效果還處于研究階段。路面平整度是路面表面相對于理想平面的縱向偏差，是車輛振動系統的主要振源[3-4]。在等級較差的路面上，路面平整度引起的振動有可能會導致貨物及包裝破損和散包的現象，對貨物造成很大危害。同時，由于貨運車輛行駛的路況千差萬別，基于我國國情，路面等級相對較差的公路所占比率較大，更加容易造成貨物運輸過程中的損壞。因此研究拉緊器在較差的路面等級下對貨物振動響應的影響有重要意義。

通過建立車輛-貨物-拉緊器系統的多自由度模型，針對一定路面激勵下貨物的振動響應問題進行仿真分析。最后討論拉緊器在不同剛度、不同車速條件下對貨物的振動響應的影響。

1　車輛-貨物-拉緊器系統動力學模型的建立

拉緊器是一種新型貨物捆綁專用器，它由拉緊帶、鎖緊器和末端裝置配套組成。拉緊器實物及其使用如圖1和圖2所示。選擇TD50款拉緊器為研究對象，對車載貨物為8 000 kg的貨物采用直接捆綁的方式。拉緊器在使用的過程中應預緊，一般標準預緊力STF范圍在0.1LC≤STF≤0.5LC之間(LC為拉緊器的捆綁能力，其值等于拉緊器的極限工作載荷)。拉緊器在使用過程中可等效為具有一定彈性和阻尼的粘彈性模型，其模型的等效剛度和等效阻尼計算公式分別為式(1)和式(2)。

(1)

(2)

根據企業提供的拉緊器的有關數據計算得到在工作區間內其平均等效剛度和阻尼K=8×104N/m，C=1.2×103N·s/m[5]。根據研究需要選用東風EQ型載重為8噸的載貨汽車，其參數如表1所示。

圖1　貨物約束拉緊器

圖2　拉緊器使用圖

名稱參數值簧載質量/kg3400前車輪質量/kg325后車輪質量/kg525簧載質心到前車軸的水平距離/m2.2簧載質心到后車軸的水平距離/m4.3簧載質心到貨物的水平距離/m1.05前/后輪距/m1.94/1.86前懸架垂直剛度/N/m1.7×105后懸架垂直剛度/N/m4.8×104前懸架垂直阻尼/N·s/m7×103后懸架垂直阻尼/N·s/m1.4×104

車輛-貨物-拉緊器系統是一個很復雜的系統，為簡化問題的分析做出如下假設：

(1)假設車輛勻速行駛，整車簡化為車身質量和非簧載質量；

(2)假設懸架的剛度和阻尼均為常數，用SPRING定義。貨物與車身的連接為彈性連接，用BUSHING定義；

(3)拉緊器簡化為具有一定剛度和阻尼的約束系統；

(4)路面平整度沖擊主要造成貨物垂直振動，本研究重點分析貨物的垂直振動響應問題。

在運輸過程中，貨物的振動主要還是來自路面的激勵作用，路面激勵主要通過車輪、懸架系統，最后通過車身傳遞到貨物上。結合整車13自由度模型[6]，簡化的系統模型如圖3所示。

1.思想認識滑坡。隨著農田防護林體系框架的初步建成，生態環境有了明顯改善，基本結束了“沙進人退”的歷史，人們漸漸淡忘了“風起沙滾”的日子。群眾對有無農防林的體會不深，只片面地看到了林帶脅地現象，沒認識農田林網的屏障作用，對規劃的農防林帶不能按規劃營造，缺株斷帶的林帶不能及時補建，有的地方林農爭地矛盾突出，擠占蠶蝕林地現象時有發生，嚴重制約農田防護林的營造和采伐更新。

圖3　車輛-貨物-拉緊器簡化模型示意圖

建立的車輛-貨物-拉緊器系統虛擬樣機模型如圖4所示。模型主要部分有駕駛室、車身、車輪、懸架系統、車軸、貨物和拉緊器幾大模塊。系統共有10個自由度，其中車身和貨物均具有沿Z軸平動，繞X軸側傾運動，繞Y軸俯仰3個自由度，每個車輪有一個沿Z軸平動的自由度。

圖4　車輛-貨物-拉緊器動力學模型

2　路面平整度下貨物的振動響應

2.1　路面平整度時域模型的獲取

描述路面平整度特性的指標有很多種，最常用的是根據路面功率譜密度進行數學統計分析。按照國標GB7031-2005《機械振動—道路路面譜測量數據報告》，路面平整度位移功率譜密度擬合表達式采用式(3)[7]。

(3)

式中：n為空間頻率；n0為參考空間頻率，n0=0.1；w為頻率指數，w=2[8]；Gq(n0)為路面平整度系數，其大小隨路面粗糙度的增加而遞增。

對于路面平整度的模擬本文采用諧波疊加法。諧波疊加法的基本思想是將大量隨機三角級數進行疊加，在指定頻率下達到相應的功率譜密度，從而構造出符合要求的路面模型[9]。根據該方法獲得的E級路面譜如圖5所示。

圖5　E級路面譜

2.2　貨物在E級路面下的振動響應

就拉緊器對貨物的振動響應問題，以E級路面譜作為輸入，研究車輛-貨物-拉緊器系統分別在貨物有無拉緊器約束時的振動響應問題進行仿真分析。根據國標GB /T4970-2009規定：一般路面試驗車速中的N類車輛的車速選擇，同時為了研究貨物在較快的車速下拉緊器的約束響應問題，選擇試驗車速為50 km/h，拉緊器剛度和阻尼K=8×104N/m，C=1.2×103N·s/m，仿真時長設置為10 s[10]。圖6和圖7分別是在E級路面譜車速50 km/h時貨物在有無拉緊器約束的情況下的位移、加速度曲線。從圖6可以看出在拉緊器約束下貨物最大位移為87.6 mm，無拉緊器的約束下貨物的最大位移為123.4 mm。從圖7可以看出在拉緊器約束下貨物的最大加速度為5.9×104mm/s2，無拉緊器約束下貨物的最大加速度為1.46×105mm/s2?？梢钥闯鲈诶o器的作用下貨物的位移以及加速度值都有較大的降低。其加速度均方根從無拉緊器約束的11 584 mm/s2降低到了8 109 mm/s2，貨物的振動響應降低了30%左右。圖8為貨物在有無拉緊器約束情況下的加速度頻率響應曲線，由圖8可以看出，貨物的頻率響應峰值發生在1.48 Hz處，表明在此處貨物的振動強度最大。另外在10 Hz范圍處，加速度也有一定的幅值，表明在此處也存在一定較大強度的振動。因此，在產品設計時，應保證易損部件的固有頻率避開低頻的范圍，避免因發生共振而產生損壞。

圖6　E級路面貨物位移曲線

圖7　E級路面貨物加速度曲線

圖8　拉緊器約束時貨物加速度頻率響應曲線

2.3　拉緊器剛度對貨物振動響應特征的影響

為進一步驗證拉緊器的使用效果，相同型號的拉緊器配備不同的拉緊帶，拉緊帶結構、外形尺寸的不同，其等效剛度也不一樣?，F圍繞原始數據K=8×104N/m，C=1.2×103N·s/m，將其剛度以2×104N/m步長變化，阻尼不變(由于阻尼相對剛度對貨物振動響應影響較小，在此不再討論)展開成3組數據。得到拉緊器的剛度對貨物位移、加速度以及加速度均方根的影響曲線，分別如圖9～圖11所示。

圖9　拉緊器不同剛度時貨物的位移響應曲線

圖10　拉緊器不同剛度時貨物的加速度響應曲線

圖11　拉緊器不同剛度時貨物加速度均方根值的影響曲線

從圖9～圖11可以看出，隨著拉緊器剛度的逐步增加，貨物的位移、加速度以及加速度均方根值相應的減小，與實際經驗吻合?？蔀槭褂谜吒鶕煌呢浳飳傩赃x擇適合的拉緊器做出參考。

2.4　車速對貨物振動響應特征的影響

車速是影響貨物振動響應的重要因素，研究車速對貨物的振動響應可以為不同路面等級下選擇合理的車速做出理論指導。為此，分別選取40 km/h、50 km/h、60 km/h的車速，拉緊器剛度和阻尼K=8×104N/m，C=1.2×103N·s/m。得到車速對貨物位移、加速度、以及加速度均方根值的影響曲線，分別如圖12～圖14所示，圖15為不同車速下貨物的加速度頻率響應曲線。

從仿真結果可以看出，降低車速可以有效地降低貨物的位移、加速度以及加速度均方根。同時，降低車速可以有效地降低貨物的振動幅值與范圍。這就更加說明司機在行駛的過程中遇到路面較差的情況下一定要減速慢行，保證貨物以及人身的安全。

圖12　不同車速下貨物的位移響應曲線

圖13　不同車速下貨物的加速度響應曲線

圖14　車速對貨物加速度均方根影響曲線

圖15　車速對貨物加速度頻率響應影響曲線

3　結論

貨物在運輸過程中會受到路面平整度的沖擊作用產生振動響應，本文建立了貨物約束拉緊系統的ADAMS動力學仿真模型，對E級路面平整度激勵下的貨物約束拉緊系統進行了貨物振動響應的分析。同時對于不同拉緊器的剛度以及不同車速下貨物的振動響應進行了分析，其結果表明：①貨物在運輸過程中在低頻段其振動程度最為劇烈，在設計產品時應避免其共振頻率處在低頻區；②提高拉緊器的剛度以及降低車速都可以有效的降低貨物的振動響應情況，為貨物的安全提供保障；③車速對拉緊器剛度對貨物的振動響應的約束有較大的影響，增大車速會減弱拉緊器剛度對貨物振動響應的約束。因此，在選擇拉緊器時，應根據常用車速選擇合適的拉緊器型號，以滿足對貨物振動響應的約束；④根據上述仿真可知，在較差的E級路面下貨物振動的位移和加速度還是較大的，貨物的脆值G可能不能承受。因此在運輸過程中，可以在貨物包裝中增加緩沖襯墊或采用緩沖包裝，使內部貨物與包裝之間增加緩沖，從而確保貨物安全。在拉緊器和緩沖包裝的共同作用下保證貨物的運輸安全。

參考文獻：

[1]胡偉.車輛貨物約束系統甩尾力學特性的研究[D].武漢：武漢理工大學, 2010.

[2]汪一立.車輛貨物約束系統側翻力學特性的研究[D].武漢：武漢理工大學, 2010.

[3]Shellock F G, Woods T O. MR Labeling Information for Implants and Devices: Explanation of Terminology[J]. Radiology, 2009,253(1):26-30.

[4]向華榮,張開斌,張琢玉,等.基于偽白噪聲的路面不平度模擬及其車輛平順性[J].重慶工學院學報(自然科學版),2009(9):11-15.

[5]李天鵬,趙燕,李暢達.車輛貨物約束系統對道路不平度響應的仿真[J].武漢理工大學學報(信息與管理工程版),2012,34(3):306-309.

[6]王峰,靳永軍,張建武.基于整車模型的動力總成懸置振動仿真及優化[J].振動與沖擊,2008(4):134-138.

[7]Hu Z G, Zhang Y L, Ye J P, et al. Numerical Modeling and Simulation of Random Road Surface Using IFFT Method[J]. Advanced Materials Research, 2011,199-200:999-1004.

[8]中國汽車技術研究中心.車輛振動輸入路面平度表示方法GB/T 7031-86[S].[S.l.]：[s.n.],1986.

[9]夏均忠,馬宗坡,白云川,等.路面不平度激勵模型研究現狀[J].噪聲與振動控制,2012(5):1-5.

[10]寧士翔,蘇小平,王宏楠.基于ADAMS/Car對車架動載荷的仿真分析[J].機械科學與技術,2014,33(2):289-292.