高 超，靳 鴻，陳昌鑫，張紅艷，馬鐵華

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

測(cè)試儀鋼絲繩減振器纏繞直徑的傳遞比仿真分析

高 超，靳 鴻，陳昌鑫，張紅艷，馬鐵華

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

為減小履帶式車輛動(dòng)態(tài)測(cè)試儀在車輛行駛中所受到的振動(dòng)，采用仿真方法研究鋼絲繩減振器的纏繞直徑對(duì)減振系統(tǒng)傳遞比的影響特性。通過分析履帶式車輛行駛過程中的振動(dòng)特點(diǎn)，選用纏繞直徑不同的鋼絲繩減振器分別構(gòu)建減振系統(tǒng)，在Pro/E中建立各減振系統(tǒng)的等效實(shí)體模型，然后導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析。經(jīng)模態(tài)分析獲得各減振系統(tǒng)前4階模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率，計(jì)算得到各減振系統(tǒng)的傳遞比。結(jié)果表明在現(xiàn)有定型產(chǎn)品中，上下夾板尺寸以及纏繞圈數(shù)固定的鋼絲繩減振器，纏繞直徑越大減振效果越弱，對(duì)工程中測(cè)試儀減振設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

履帶式車輛；傳遞比；模態(tài)分析；鋼絲繩減振器；纏繞直徑

0 引 言

履帶式車輛在行駛過程中受路面不平度影響會(huì)產(chǎn)生車體振動(dòng)[1]，對(duì)測(cè)試信號(hào)影響較大，若無有效的減振，會(huì)將噪聲引入測(cè)試電路，甚至?xí)鹩≈齐娐钒搴更c(diǎn)松動(dòng)等問題，以上因素均會(huì)導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確[2]。因此，車輛動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試儀減振器的合理選用就顯得尤為重要。常見的測(cè)試儀減振器有橡膠減振器和鋼絲繩減振器兩種。橡膠減振器在高溫環(huán)境下自身阻尼系數(shù)會(huì)出現(xiàn)較大衰減[3]，不適于環(huán)境溫度較高的履帶式車輛內(nèi)部測(cè)試儀的減振；而鋼絲繩減振器具有性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、抗環(huán)境污染能力強(qiáng)、計(jì)算可靠等優(yōu)點(diǎn)[4]，使其成為履帶式車輛動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試儀減振系統(tǒng)的理想選擇。減振系統(tǒng)傳遞比受鋼絲繩減振器多參數(shù)的影響，如鋼絲的型號(hào)、鋼絲繩的纏繞圈數(shù)以及鋼絲繩的纏繞直徑等。目前對(duì)鋼絲繩減振器的選取一般以經(jīng)驗(yàn)選取為主，缺少具體的理論支持。針對(duì)以上問題，本文采用控制變量法，通過Pro/E三維建模，ANSYS模態(tài)分析的方法，對(duì)不同纏繞直徑的鋼絲繩減振器所構(gòu)成的減振系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，研究鋼絲繩減振器纏繞直徑對(duì)減振系統(tǒng)傳遞比特性的影響。

1 工況分析與減振原理

1.1 工況分析

行駛中的履帶式車輛，其直接振源主要包括車上的動(dòng)力系統(tǒng)、路面不平度載荷和各種隨機(jī)載荷。履帶式車輛在行駛過程中受路面不平度產(chǎn)生的激勵(lì)頻率范圍在0～150Hz[5]。在工程中不同頻段對(duì)應(yīng)的頻率范圍如表1所示，由表確定車體激勵(lì)頻率屬于低頻段。鋼絲繩減振器的最大優(yōu)點(diǎn)是固有頻率低，通常其頻率范圍可以低至5～28Hz，低頻段減振效果非常好，所以選擇鋼絲繩減振器作為減振裝置。

表1 不同頻段對(duì)應(yīng)的頻率范圍

1.2 減振原理

履帶式車輛動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，一般將采集存儲(chǔ)電路灌封于測(cè)試儀殼體中，測(cè)試儀殼體通過減振器連接在車體上，這樣避免測(cè)試儀殼體與地基剛性連接，減小傳遞到測(cè)試儀殼體上的振動(dòng)；而傳感器通過導(dǎo)線將信號(hào)引入測(cè)試儀。測(cè)試儀減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試儀減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

減振器之所以能起到減振效果，是以彈性支撐代替振源與測(cè)試儀殼體之間的剛性連接，從而在一定頻率范圍內(nèi)降低了從振動(dòng)源傳遞到測(cè)試儀殼體的激振力。減振系統(tǒng)通過減振器與剛性地基連接，可簡(jiǎn)化為受迫振動(dòng)系統(tǒng)[6]，其運(yùn)動(dòng)微分方程為

式中：m——設(shè)備的質(zhì)量；

K——?jiǎng)偠认禂?shù)；

C——阻尼系數(shù)；

y——激振力振幅；

ω——激振角頻率。

2 減振系統(tǒng)模態(tài)分析

2.1 模型建立

2.1.1 鋼絲繩減振器建模

為比較鋼絲繩每圈纏繞的長(zhǎng)度對(duì)減振系統(tǒng)傳遞比的影響，選擇GTJ-24系列鋼絲繩減振器下的3種型號(hào)，GTJ-24系列示意圖如圖2所示，對(duì)應(yīng)的尺寸如表2所示。

圖2 GTJ-24型示意圖

表2 GTJ-24系列鋼絲繩減振器尺寸表

其中GTJ-24型鋼絲繩減振器中的鋼絲繩為6× 19型。如果對(duì)鋼絲繩1∶1進(jìn)行實(shí)體建模，前期的模型建立與后期仿真中的網(wǎng)格劃分及各部件之間的約束添加都很復(fù)雜。馬琴等[7]提出了一種簡(jiǎn)化方法，對(duì)鋼絲繩減振器模態(tài)分析時(shí)，將鋼絲繩等效為一根鋼絲且通過實(shí)驗(yàn)和仿真手段驗(yàn)證了該方法的可行性，同時(shí)得到等效鋼絲繩的彈性模量為41.376 GPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.25。陳斌等[8]也通過分析計(jì)算驗(yàn)證了該方法的可行性。因此采用該方法，通過Pro/E三維建模得到鋼絲繩減振器的模型如圖3[9]所示。

圖3 鋼絲繩減振器三維模型

2.1.2 減振系統(tǒng)建模

系統(tǒng)選用兩個(gè)同一型號(hào)的鋼絲繩減振器，安裝分布如圖4所示。上下夾板通過螺釘固定在測(cè)試儀殼體和底板上，隔離底板和測(cè)試儀殼體，從而起到減振效果。通過Pro/E建立尺寸為250 mm×200 mm× 150 mm壁厚為8 mm的測(cè)試儀殼體模型，質(zhì)量小于額定負(fù)載，建立尺寸為600mm×600mm×30mm的地基模型。通過Pro/E將各部件裝配，減振系統(tǒng)裝配圖如圖5[10-11]所示。

圖4 鋼絲繩減振器安裝位置（單位：mm）

圖5 減振系統(tǒng)裝配圖

2.2 模態(tài)分析

將Pro/E建立好的模型保存為.x_t格式導(dǎo)入到ANSYS中，如圖6所示。測(cè)試儀殼體材料添加為鋁，鋼絲繩減振器的上下夾板以及地基的材料添加為普通結(jié)構(gòu)鋼。鋼絲繩減振器中鋼絲繩的等效彈性模量為41.376GPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.25。根據(jù)實(shí)際情況定義各部件之間的連接關(guān)系，由于各部件之間是剛性連接，所以將測(cè)試儀殼體與鋼絲繩減振器之間的連接關(guān)系添加為Bonded，鋼絲繩減振器與地基之間的連接關(guān)系也添加為Bonded。網(wǎng)格劃分選用Element Size選擇為100mm[12]。在實(shí)際減振過程中，地基認(rèn)為固定不動(dòng)，將地基約束，使其靜止。測(cè)試系統(tǒng)的激勵(lì)頻率為0～150Hz，屬于低頻段，因此分析減振系統(tǒng)的低階模態(tài)[13]。針對(duì)減振系統(tǒng)進(jìn)行前4階模態(tài)分析。

圖6 減振系統(tǒng)導(dǎo)入ANSYS中的視圖

3種鋼絲繩減振器對(duì)應(yīng)減振系統(tǒng)的建模與仿真過程都一樣，其解算結(jié)果如表3所示。

表3 3種減振系統(tǒng)的模態(tài)分析結(jié)果

3 分析計(jì)算

地基受迫振動(dòng)時(shí)，通過彈簧傳遞到測(cè)試儀殼體的作用力與迫使地基振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力的比值稱為傳遞比T。傳遞比是表征減振器減振效果的物理量，傳遞比越小，則減振效果越好。對(duì)于單自由度振動(dòng)，且振動(dòng)驅(qū)動(dòng)力為簡(jiǎn)諧力，則得：

式中：TT——地基傳遞給減振器的力；

T0——測(cè)試儀受到的驅(qū)動(dòng)力；

f/fn——頻率比，即驅(qū)動(dòng)力頻率與系統(tǒng)固有頻

率的比值；

ζ——阻尼比。

6×19型鋼絲繩隔振器對(duì)應(yīng)阻尼比為ζ=0.17[14]，某型號(hào)履帶式車輛的激勵(lì)頻率采用f=23Hz。將表3中的各階固有頻率fn與激勵(lì)頻率f=23Hz以及ζ=0.1帶入式（2）中得到3組鋼絲繩減振系統(tǒng)的傳遞比如表4所示。

表4 3組鋼絲繩減振器的傳遞比

由表可知，對(duì)于同一測(cè)試儀，纏繞直徑不同的鋼絲繩減振器，纏繞直徑越大，則鋼絲繩減振器的傳遞比越高，即減振效果越弱。

對(duì)受低頻振動(dòng)影響的部件進(jìn)行測(cè)試時(shí)，只考慮減振系統(tǒng)的低階固有頻率。鋼絲繩減振器纏繞直徑越小，減振系統(tǒng)的低階固有頻率越低，則系統(tǒng)的傳遞比越低、減振效率越高。

4 結(jié)束語

對(duì)于受低頻振動(dòng)影響的同一測(cè)試儀，以纏繞直徑不同的鋼絲繩隔振器所組成的減振系統(tǒng)為對(duì)象，利用ANSYS進(jìn)行低階模態(tài)分析，仿真計(jì)算得出各減振系統(tǒng)不同模態(tài)下的傳遞比。仿真計(jì)算結(jié)果表明對(duì)于同一被減振對(duì)象，鋼絲繩減振器纏繞直徑越大，隔振效果越弱。因此，對(duì)于受低頻振動(dòng)影響的測(cè)試儀，在進(jìn)行測(cè)試儀減振工程設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量選用纏繞直徑小的鋼絲繩減振器，以實(shí)現(xiàn)較大的隔振效率。本文對(duì)受低頻振動(dòng)影響的測(cè)試儀減振設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

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（編輯：莫婕）

Simulation analysis on the transmission ratio of winding diameter of wire rope vibration damper of test instrument

GAO Chao，JIN Hong，CHEN Changxin，ZHANG Hongyan，MA Tiehua
（National Key Laboratory for Science and Technology on Electronic Test and Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In order to reduce the vibration of dynamic testing instrument of the tracked vehicle，the influence of winding diameter of wire rope vibration damper on the transmission ratio of the vibration reduction system was studied by simulation.Based on the analysis ofvibration characteristics of tracked vehicle during traveling，vibration reduction system was established by choosing wire rope vibration damper with different winding diameters，and equivalent solid model of vibration reduction system was also set up in Pro/E.Then the finite element software ANSYS was imported for modal analysis.Based on modal analysis，the inherent frequency of the first four modes of modalities of each vibration reduction system was obtained，and the transmission ratio was also obtained via calculation.Results show that for the wire rope vibration damper with fixed dimension of upper and lower clamping plates and winding cycles in the existing approved products，the larger the winding diameter is，the weaker the vibration reduction effect will be.The study will inform the vibration reduction design for test instrument in engineering.

tracked vehicle；transmission ratio；modal analysis；wire rope vibration damper；winding diameter

A

：1674-5124（2017）01-0136-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.028

2016-07-18；

：2016-09-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（61471385）；中北大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金（ZDSYSJ2015002）

高 超（1990-），男，山西忻州市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。

陳昌鑫（1988-），男，講師，博士，主要從事動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器研究。