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工程专用自卸车车架工作模态识别方法及其试验研究

陈峙  
【摘要】:工程专用自卸车车架作为整车的主要承载体,动力系统、驾驶室、车厢、车桥和液压举升系统等总成和部件都直接安装在车架上。车辆行驶过程中车架不仅要承受外部路面不平度引起的多种载荷工况,还受内部发动机、变速器等动力和动力传动装置的激励。当车架的固有频率与激励耦合发生共振时,会降低车辆的动态精度并影响其使用性能,甚至会引起结构和零部件的疲劳破坏和失效;车架的振动同样会传递给相关总成,影响各总成的使用性能和可靠性。因此,车架的动态特征对整车的平顺性和可靠性有着非常重要的影响。车架的工作模态分析能实时、准确和有效地反映整车作业状态下车架的共振频率和动态载荷下的变形,对于结构设计合理性的评价以及相关总成匹配设计具有十分重要的意义。然而,工程专用自卸车在典型工地路面作业时,在路面激励和内部振动源的共同作用下,车架的振动响应很复杂,振动信号中含有大量的噪声,传统的工作模态识别方法很难获得可信的结果。车架在整车环境下受到各种约束,其本身的动态特性会因约束和附加质量等外部因素而发生显著变化,实际工作环境所产生的激励也非常复杂。因此,车架设计过程中不仅要满足强度要求而且要充分考虑其动态特征。对于车架结构以及相关总成和部件来说,其设计的合理性与否同样需要在整车作业状态下进行评价,而不能只关注其单一部件离线状态的固有特性。所以,有必要建立整车作业状态下的车架及相关总成部件的动态特征评价方法,应用工作状态下的特征参数对车架结构及相关总成部件的设计合理性进行评价分析,尤其要分析车架与直接安装在车架上的相关总成和部件的匹配性,从而进行一体化的优化设计,提高相关总成之间的匹配性,改善整车的平顺性和可靠性。本文围绕典型工况下的工程专用自卸车车架工作模态识别、动态特性评价及相关总成部件的匹配分析展开了相关研究,论文的主要内容和主要结论如下:(1)分析了在典型工地路面上工程自卸车的作业特点和振动响应,分析表明:在实际作业状态下,车架振动响应信号信噪比低、成分复杂,仅从频谱上难以获得反映车架本身属性的动态特征,提出应采用工作模态的分析方法对车架结构的动态特性进行分析评价;(2)针对工程专用自卸车作业时响应信号信噪比低的特点,引入平均相关函数消噪方法,并参照DC-ERA算法,采用相关函数替代原信号进行识别的方式,改进了协方差驱动随机子空间识别算法,提出了平均相关函数协方差驱动的随机子空间识别算法(Cov-SSI/AR),并通过仿真和试验模拟验证了非稳态随机激励下算法的有效性;(3)基于Cov-SSI/AR识别方法对实际作业环境下的DT002自卸车车架工作模态进行了识别,并提出了基于工作模态的车架结构设计合理性和动态特性评价方法,通过工作模态振型和频率分析,确定因动态载荷引起的应力集中部位和在整车状态下车架结构的模态共振频率,可对结构做出客观准确的评价;(4)根据车架的工作模态频率是否与驾驶室固有模态耦合分析,对驾驶室的结构匹配做出了评价,并基于相应的匹配性对驾驶室进行了轻量化设计;此外,采用车架工作模态频率与动力悬置系统固有频率的比值对动力悬置系统进行了匹配评价,为了提高动力悬置系统的隔振性能对其进行了解耦分析和优化,优化后各向振动解耦率明显提高,改善了动力悬置系统的隔振性能,提高了整车的平顺性和可靠性水平。本文的研究得到了山西省高新产业项目“工程专用自卸车开发”(项目号:2011-2368)和山西省研究生创新项目“低重心变截面工程专用自卸车车架技术研究”(项目号:2012-3025)的资助。


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