宋 榮

（山西省原平汽車修配廠，山西 原平 034100）

1 新型道面吹雪車簡介

吹雪車是道路除冰雪的一種設(shè)備，由于其高效、環(huán)保，已成為高速公路和機(jī)場的必備設(shè)施。新型吹雪車摒棄了傳統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)冷吹或渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)熱吹的作業(yè)方式，采用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)工作，提供吹雪作業(yè)所需的壓縮空氣［1］。為了滿足新型吹雪裝置的加裝和整車的優(yōu)化，需要對吹雪車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)。吹雪車的車架是整車的承載基體，不但承受著車身、車橋、駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等通用結(jié)構(gòu)的載荷，而且承受著空氣壓縮機(jī)、加熱裝置、吹雪管道、滾雪刷、除雪鏟等除雪專用裝置的載荷。吹雪車工作環(huán)境惡劣，行駛過程中還會受到來自冰雪路面的各種復(fù)雜載荷。吹雪車行駛過程中，如果作用在車架上的動(dòng)載荷頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相近，可能會產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲，影響駕駛員的舒適性，而且長期的振動(dòng)容易造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，影響安全性和整車的使用壽命。因此在吹雪車車架結(jié)構(gòu)的改裝中，在保證車架剛度的基礎(chǔ)上，還要滿足其合理的振動(dòng)特性。目前，對結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的考量通常采用模態(tài)分析，通過模態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，為結(jié)構(gòu)改良提供理論基礎(chǔ)［2］。

2 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)

模態(tài)是多自由度系統(tǒng)按照固有頻率振動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)出來的振動(dòng)形態(tài)，振型是結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)各節(jié)點(diǎn)位移比例關(guān)系的表征。對于一個(gè)多自由度線性運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為：

其中：［M］、［C］、［k］分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；｛X｝、｛X′｝、｛X″｝分別為節(jié)點(diǎn)的位移矢量、速度矢量和加速度矢量［3］；｛F（t）｝為隨時(shí)間變化的載荷函數(shù)。

在模態(tài)分析時(shí)，設(shè)定｛F（t）｝＝0，并且忽略阻尼［C］的影響，則方程（1）變?yōu)椋?/p>

其基本解的形式為：

其中：φ 為自振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)中各點(diǎn)的振幅；ω 為自振角頻率。

聯(lián)立求解式（2）、式（3），得：

由式（4）求得特征值ω2，由ω＝2πf 可求得結(jié)構(gòu)的固有頻率，即模態(tài)頻率f。特征值對應(yīng)的特征向量即為結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型。

3 吹雪車車架三維有限元模型的建立

該新型吹雪車的車架采用邊梁式鉚接結(jié)構(gòu)，由2根槽型等截面縱梁和8根橫梁構(gòu)成［4］，板厚7mm。車架全長為5 213 mm，外寬860 mm，縱梁斷面尺寸為250mm×80mm×7mm，車架材料為Q345。由于車架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此在三維有限元模型建立的過程中忽略對車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度影響不大的附件。同時(shí)，為了兼顧計(jì)算速度，將車架結(jié)構(gòu)的倒角、過渡圓角和一些非承載件也一并忽略。在Pro／E 中建立吹雪車車架結(jié)構(gòu)的三維模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析平臺，選用Solid186實(shí)體單元，采用自由劃分法劃分網(wǎng)格。生成的三維有限元模型如圖1所示。

圖1 吹雪車車架結(jié)構(gòu)三維有限元模型

4 ANSYS Workbench模態(tài)求解

由于結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是線性的，且在ANSYS Workbench中對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)求解時(shí)，忽略了系統(tǒng)阻尼對其自身振動(dòng)特性的影響，因此任何施加的力的載荷在分析中都不予考慮。在建立好三維有限元模型后，對車架的主要支撐點(diǎn)懸架部位施加全約束，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模態(tài)求解。由于結(jié)構(gòu)的各階固有振型之間通過特定的線性組合即可生成各階振型，且結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于低階振型，因此只分析結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率和振型。其中前4 階振型圖如圖2～圖5 所示。求解得到的前6階固有頻率見表1。

圖2 吹雪車車架結(jié)構(gòu)第1階振型圖

5 模態(tài)求解結(jié)果分析

根據(jù)雪況的不同，吹雪車應(yīng)相應(yīng)地調(diào)整工作狀態(tài)，使之能更好地適應(yīng)工作需求［5］。車架的激勵(lì)源一般來源于不平整路面的激勵(lì)和主發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程產(chǎn)生的激勵(lì)。該新型吹雪車的主發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為500r／min，爆發(fā)頻率約為17Hz，低于車架結(jié)構(gòu)的1階固有頻率，振動(dòng)影響較小，可忽略對其的分析。對于吹雪車來說，除了上述兩種激勵(lì)，還有來自帶動(dòng)壓縮機(jī)工作的副發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、滾雪刷旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激勵(lì)等。副發(fā)動(dòng)機(jī)為上裝發(fā)動(dòng)機(jī)，主要用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作，此部分振動(dòng)難以通過車架的改裝得到改良，因此分析時(shí)主要考慮不同工作狀況的路面激勵(lì)、主發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)激勵(lì)、滾雪刷運(yùn)轉(zhuǎn)的激勵(lì)對吹雪車車架的影響。

圖3 吹雪車車架結(jié)構(gòu)第2階振型圖

圖4 吹雪車車架結(jié)構(gòu)第3階振型圖

圖5 吹雪車車架結(jié)構(gòu)第4階振型圖

5.1 吹除小雪工況

吹除小雪（厚度小于15 mm）時(shí)，車速保持在20 km／h～30km／h，路面不平整帶來的激勵(lì)大約為10 Hz～15Hz。以30km／h的車速行進(jìn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)頻率為40 Hz左右。滾雪刷轉(zhuǎn)速為180r／min～300 r／min，頻率為3 Hz～5 Hz。路面不平整帶來的激勵(lì)和滾雪刷運(yùn)轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率錯(cuò)開了車架結(jié)構(gòu)的固有頻率，不易發(fā)生共振，噪聲容易出現(xiàn)在吹雪車工作行駛速度高于30km／h的情形下，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)頻率處于車架前兩階固有頻率之間，較易發(fā)生共振。

表1 車架結(jié)構(gòu)前6階固有頻率

5.2 吹除中雪工況

吹除中雪（厚度在15mm～40mm 之間）時(shí)，由于雪層覆蓋較厚，為了提高一次性吹雪效率，要適當(dāng)將吹雪車的行進(jìn)速度降到15km／h 上下。受到較厚積雪的影響，路面不平整帶來的激勵(lì)頻率增大為20 Hz左右，仍然遠(yuǎn)離車架的1階固有頻率。與此同時(shí)，滾雪刷運(yùn)轉(zhuǎn)速度加快，達(dá)到300r／min～600r／min，頻率為5 Hz～10Hz，雖然有所上升，但是仍然遠(yuǎn)離車架結(jié)構(gòu)的固有頻率，此種工況不易發(fā)生共振。

5.3 吹除大雪工況

吹除大雪（厚度40mm～150mm 之間）時(shí)，吹雪車的行駛速度進(jìn)一步降低到5km／h～10km／h，路面極易存在車輪碾壓后的板結(jié)性積雪，部分地段夾雜著積冰，此時(shí)道路不平整帶來的激勵(lì)增大為25Hz以上，接近車架結(jié)構(gòu)的1階固有頻率；且在作業(yè)過程中，滾雪刷轉(zhuǎn)速升至900r／min～1 500r／min，頻率為15Hz～25Hz，接近車架結(jié)構(gòu)的1階固有頻率［6］，故此種工況較易發(fā)生共振。

6 結(jié)論

應(yīng)用模態(tài)分析的相關(guān)理論，在有限元分析平臺ANSYS Wokkbench上，對吹雪車的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了前6階固有頻率和振型。在不同工作狀態(tài)下分析了吹雪車所受路面激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)激勵(lì)以及滾雪刷運(yùn)轉(zhuǎn)激勵(lì)的情況。與車架結(jié)構(gòu)的固有頻率比較研究，可以找到共振容易出現(xiàn)的狀況，在后續(xù)的吹雪裝置安裝布局、車架的改裝、整車噪聲控制中，應(yīng)盡可能地避開或最大限度地減小共振處的激勵(lì)。

［1］ 張積洪，劉端曉，劉繼峰.基于FLUENT 的吹雪車噴氣管道氣流場分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（8）：206－207.

［2］ 劉萌.車架試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及其結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改研究［D］.西安：長安大學(xué)，2009：2－10.

［3］ 謝世坤，程從山.基于ANSYS的邊梁式車架有限元模態(tài)分析［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005，18（1）：76－77.

［4］ 陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［5］ 徐達(dá)，叢錫堂.專用汽車構(gòu)造與設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［6］ 徐中明，郭師峰，張志飛，等.全地形車車體動(dòng)態(tài)特性分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（1）：8－9.