趙海賓 張 寧

（河北交通職業(yè)技術(shù)學院汽車工程系，河北石家莊 050035）

礦山車輛工作環(huán)境復(fù)雜，道路路面情況較為惡劣，開展該類型特種車輛的可靠性研究有助于減少礦山車輛安全事故。現(xiàn)階段的研究重點在于計算車輛零部件或整車系統(tǒng)在隨機載荷下的可靠性問題。其中，減震器作為車輛懸掛系統(tǒng)的零部件之一，主要由彈簧、活塞、液壓缸、減震器支座等構(gòu)成，是目前解決車輛可靠和安全問題的關(guān)鍵［1-3］。這方面的研究成果較為豐富，PING等［4］對減震器在惡劣的振動影響環(huán)境中的工作狀態(tài)進行了系統(tǒng)性研究，設(shè)計了一種微型流體耦合減震器，確保精密設(shè)備或組件具有抗劇烈沖擊和減弱振動影響的安全性。TEKADE等［5］分析了減震器的結(jié)構(gòu)和模態(tài)，并設(shè)計了一種能夠承受越來越多的振動并提高安全性的減震器。毛昭勇等［6］提出了一種基于模糊優(yōu)化設(shè)計方法的機械零件可靠性設(shè)計方法，同時考慮了相關(guān)設(shè)計參數(shù)所具有的隨機性和模糊性，確保了設(shè)計結(jié)果的真實性。CHO等［7］分析了高速鐵路橋梁系統(tǒng)的可靠性，提出了一種自適應(yīng)技術(shù)和權(quán)重矩陣，以加快可靠性分析的收斂性。CHUNG等［8］提出了對k-out-of-n系統(tǒng)可靠性分析方法，導(dǎo)出了狀態(tài)概率和運輸系統(tǒng)可靠性的拉普拉斯變換，并開發(fā)了用于計算運輸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)概率和可用性的數(shù)學模型。在提高產(chǎn)品功能指標的同時，還需要提高產(chǎn)品壽命的可靠性。因此，對減震器支座耐久可靠性的研究對于改善減震器系統(tǒng)質(zhì)量具有重要價值。楊忠炯等［9］利用某車型提供的零部件失效數(shù)據(jù)，通過MATLAB編程，采用蒙特卡洛方法對車輛無故障里程進行了預(yù)測分析，提高了預(yù)測結(jié)果的可靠性。潘德國等［10］利用蒙特卡洛法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析了汽車起重臂結(jié)構(gòu)的概率—非概率模型的可靠性，對于起重臂結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計具有參考價值。從系統(tǒng)工程角度來說，任何組件的故障都有可能導(dǎo)致減震器發(fā)生故障，從而大大降低車輛的動態(tài)性能，甚至使得車輛行駛不安全。因此在任何工況下，實際載荷與試驗道路載荷之間的等效關(guān)系必須基于某一周期性應(yīng)變歷史的參數(shù)。張洪信等［11］提出了汽車縱向振動道路譜的概念，定義了縱向振動路面輪廓的數(shù)學表達方法，設(shè)計了用五輪儀測量縱向振動路面輪廓的試驗并在青黃公路段進行了實際測量。DODDS等［12］繪出了足以進行多履帶車輛響應(yīng)分析的路面描述，并提出了一種新的道路分類方法。劉慶華等［13］開發(fā)了一種車輪力傳感器來直接測量道路載荷譜，收集了水泥和瀝青路面數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)濾波算法不僅可以保留起伏道路的原始外觀，而且可以消除小波動并獲得更準確的道路數(shù)據(jù)。

由于減震器支座和活塞桿剛性連接，易使得活塞桿的沖擊載荷導(dǎo)致減震器支座失效，研究者對于該方面的關(guān)注較少。盡管目前已有大量研究分析了車輛的可靠性，但很少使用基于路譜測試數(shù)據(jù)的加載方式進行分析。本研究通過收集礦用汽車減震器部位的載荷數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理為可用于臺架試驗的載荷譜；采用蒙特卡洛方法進行基于路譜載荷的應(yīng)力—強度干涉模型的數(shù)值模擬驗證，在此基礎(chǔ)上進行臺架耐久試驗和對比分析。分析結(jié)果對于礦用車輛減震器支座的可靠性設(shè)計具有一定的參考意義。

1 路譜測試

1.1 測試設(shè)備

路譜測試所用的礦山車輛為臨工重機CMT96型礦用卡車，該類型礦用卡車所用懸架為麥弗遜懸架，后懸架為多連桿并裝備油氣懸缸，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為全液壓動力轉(zhuǎn)向，氣頂油盤式制動，礦用卡車基本技術(shù)參數(shù)見表1，測試用礦用卡車見圖1，該型礦用卡車使用的減震器見圖2。

1.2 測試車路譜和響應(yīng)信號采集

測試所用的道路路譜來源于我國自主研發(fā)的典型汽車道路頻譜統(tǒng)計系統(tǒng)，測試道路模擬礦山路面實際情況。根據(jù)《標準機械振動道路路面譜測量數(shù)據(jù)報告》（GB/T 7031—2005）進行特定傳感器布置、收集參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)記錄。由于礦用卡車面對的客戶群體不同于其他商用車，其使用情況和客戶群體均不同于常規(guī)標準，本研究參考礦山車輛的相關(guān)駕駛規(guī)范收集駕駛數(shù)據(jù)。試驗過程中采集設(shè)備型號為eDAQ公司的SomateDAQ設(shè)備，如圖3所示。

測試過程中，響應(yīng)信號采集內(nèi)容包括軸頭的垂直加速度、車輛地板的加速度、車輪與車身之間的相對位移以及懸架的彈簧應(yīng)變。通過對試驗車在道路和臺架試驗中的響應(yīng)信號進行比較和分析，來確定車輛平臺耐久性的道路模擬試驗的精度。

1.2 生成驅(qū)動信號

對于測試車行駛過程中的道路譜采集，本研究設(shè)定需要經(jīng)過5～10次迭代，只有當預(yù)期信號的均方根誤差在5%以下，才生成道路譜行駛信號。在進行基于道路譜的減震器臺架試驗時，將減震器彈簧上的位移信號用于模擬預(yù)期響應(yīng)信號并進行迭代。圖4為已處理頻譜、原始頻譜和最終驅(qū)動頻譜（執(zhí)行器移動時間歷史信號）的截斷部分。

2 基于載荷時間壽命指標的減震器支座可靠性分析

2.1 應(yīng)力強度干涉理論

由應(yīng)力強度干涉理論［13-15］可知，車輛行駛時，減震器支座承受的載荷是一個隨機變量，減震器支座的材料強度也服從一定的分布，并且大多數(shù)機械零件的強度受制于正態(tài)分布。減震器支座強度隨著使用壽命（即荷載的時間和頻率、行駛里程等）而逐漸降低，當剩余強度不斷變化時，應(yīng)力和強度的干擾區(qū)也會改變，可靠性在整個變化過程中各不相同。

在路譜采集測試中，本研究以安裝在前減震器上的位移傳感器采集的位移譜為1個通道，對通道數(shù)據(jù)進行切割、濾波及重采樣等操作后，得到已處理譜、驅(qū)動傳遞譜和車架響應(yīng)之間的傳遞函數(shù)。通過多次迭代，當最終的響應(yīng)頻譜無限接近處理后的頻譜時，將其作為測試的最終相應(yīng)驅(qū)動信號。不同類型道路的部分響應(yīng)頻譜如圖5所示。

基于應(yīng)力強度干涉理論，本研究對道路譜的迭代方程式和過程為：

與活塞桿接觸的危險部分的應(yīng)力響應(yīng)過程如公式（1）所示：

式中，F(xiàn)為活塞桿接觸部位承受的應(yīng)力，N；s'為活塞桿接觸危險部位承受的阻尼壓強，Pa；l為活塞桿長度，m；k為應(yīng)力響應(yīng)修正系數(shù)，無量綱常數(shù)；f為阻尼力，N；m1，m2為支座和活塞桿的質(zhì)量，kg；x為彈簧的位移（向下到正，向上為負），m；S為支座和活塞桿的接觸面積，m2。

設(shè)減震器支座強度為δ，其概率密度函數(shù)為fδ(δ)，應(yīng)力s的累積分布函數(shù)和概率密度函數(shù)為Fs(s)和fs(s)。當減震器支座的可靠性由應(yīng)力和強度的隨機變量表示時，根據(jù)應(yīng)力—強度干涉理論［14-17］，載荷作用一次減震器支座的可靠性系數(shù)可以表示為

1.2 主要試劑和儀器 相關(guān)儀器、試劑均購自美國ABI公司，低溫離心機 Beckman J-6BABI；7900型熒光定量PCR儀等儀器；Buffer A試劑；Buffer B試劑；飽和酚；NaCl；異丙醇等試劑。

式中，r為減震器支座的可靠性系數(shù)。

當負載振幅的波動較小時，可以近似地認為減震器支座的剩余強度僅與負載的大小或負載的數(shù)量有關(guān)。假設(shè)減震器支座的初始強度為δ，經(jīng)過ω次載荷后，剩余強度δ(ω)可以表示為

式中，s為應(yīng)力；Ns為應(yīng)力s水平下的疲勞壽命；c為材料常數(shù)。

由于材料特性分散性和過程不穩(wěn)定性的影響，減震器支座的初始強度將具有不同的分散度。當初始應(yīng)力δ由概率密度函數(shù)為fδ()δ的隨機變量表示時，

根據(jù)完全概率公式，在應(yīng)力降低的情況下，減震器支座承受載荷作用ω次，汽車正在運行時，減震器支座的可靠性可表示為

式中，R為減震器支座可靠性值；h(ω)為減震器經(jīng)過效率損傷驗算得出的厚度失效概率。

2.2 蒙特卡洛方法仿真驗證

蒙特卡洛方法［18-21］是模擬和分析部件和系統(tǒng)可靠性的有效方法之一，也是可靠性模型仿真驗證的重要手段。該方法是基于統(tǒng)計抽樣理論，對相應(yīng)的隨機變量進行抽樣測試或?qū)﹄S機數(shù)進行隨機模擬，然后通過對抽樣結(jié)果的統(tǒng)計分析來計算部件的可靠性指標。由于普通減震器支座的失效方式比較單一，通常表現(xiàn)為強度失效，因此本研究采用蒙特卡洛方法的仿真過程用于驗證和計算減震器支座的可靠性，流程如圖6所示。驗證過程中，根據(jù)對應(yīng)于測試地點60 000 km或正常道路520 000 km（兩個完整的道路頻譜數(shù)據(jù)）的道路頻譜，計算隨機荷載的數(shù)值和順序，并將模擬次數(shù)設(shè)置為10 000次，最終獲取了不同類型道路的減震器支座的可靠性值，如圖7所示。

由圖7可知：普通路面模擬成果在荷載時間5×10-6s內(nèi)減震器可靠性為1，說明減震器在該時間段內(nèi)穩(wěn)定性較好，但是超過5×10-6s后減震器支座的可靠性值呈近似線性下降趨勢，當荷載時間達到8×10-6s后，可靠性值降低至0.955。未鋪裝路面模擬結(jié)果與普通路面基本一致，但是當超過減震支座的荷載極限后，其可靠性跌幅更大，最終降至0.950。

2.3 減震器可靠性臺架測試及對比分析

2.3.1 臺架測試實驗

為將蒙特卡洛仿真方法所得出的可靠性成果進行對比，進行了室內(nèi)臺架試驗。試驗過程中，減震支座的安裝過程、連接方式盡可能模擬礦山車輛的實際使用狀態(tài)。支座運行過程中減震支座的溫度控制至關(guān)重要，設(shè)定其采用通用的自然冷卻或強制風冷方式，必要時進行水冷，冷卻過程中確保減震器及風門的溫度控制在80℃左右。如果風門溫度未達到60℃，試驗?zāi)Ｐ鸵宰匀粻顟B(tài)進行耐久性試驗；若風閥的溫度超過110℃，則需延長連續(xù)冷卻時間。當減震器位于正常溫度范圍內(nèi)時，活塞以0.1 m/s速度往復(fù)運動狀態(tài)運行。

為了模擬礦用車輛在不同道路工況下的行使過程，試驗過程中在車輛所有關(guān)鍵部位均安裝了加速度傳感器和應(yīng)變片。試驗過程中，首先將第2節(jié)路譜測試中收集的道路頻譜進行編輯；然后轉(zhuǎn)化為輸入信號加載到工作臺測試設(shè)備上，輸入信號過程中提取測試設(shè)備上彈簧的位移信號和道路采集的彈簧位移信號進行對比，并不斷調(diào)整驅(qū)動信號；最終確保彈簧在臺架測試中的響應(yīng)信號與道路頻譜收集的信號保持一致。本次臺架試驗共基于200個樣本的道路譜，對減震器的可靠性臺架試驗進行了2個完整的周期，測試結(jié)果如圖8所示。

2.3.2 對比驗證分析

以彈簧上的振動信號為通道，經(jīng)過迭代，在道路頻譜采集與臺架試驗之間，彈簧響應(yīng)信號的誤差精度小于5%。驗證過程中，應(yīng)同時考慮減震器本身的性能和減震器支座的損壞。基于收集的道路數(shù)據(jù)，通過蒙特卡洛方法分析了減振器的可靠性，同時比較了試驗臺的測試結(jié)果和仿真結(jié)果。

研究發(fā)現(xiàn)，減震器支座的可靠性在10 000 km以內(nèi)為1，隨著負載增加，跌幅并未顯示出放大效應(yīng)。結(jié)果說明在礦用車輛行駛10 000 km后，減震器支座是否損壞是重點考慮對象。然而，在臺架試驗中，減振器的可靠性從大約16 000 km的行程開始，呈現(xiàn)階梯式下降規(guī)律，共經(jīng)歷3次降低后直至0.86，比模擬結(jié)果0.95略低，模擬成果顯示其可靠性呈線性下降。分析認為：由于試驗過程中選取的訓練樣品數(shù)量有限，可靠性試驗的準確性無法與模擬結(jié)果完全匹配，但是總體上反映了減震器支座的變形規(guī)律；礦山車輛可以根據(jù)不同路況下的仿真結(jié)果，優(yōu)化減震器支座設(shè)計，從而減少材料浪費。

3 結(jié)論

（1）使用我國自主品牌的礦用卡車測試了減震器在路試場跑道上的路譜，收集得到汽車減震器部位的載荷數(shù)據(jù)；根據(jù)路譜建立減震器的力學模型，并通過蒙特卡洛方法進行了數(shù)值模擬和臺架試驗對比驗證，為我國礦用車輛減震器支座設(shè)計的可靠性研究提供了一定參考。

（2）蒙特卡洛仿真發(fā)現(xiàn)，在相同的頻譜加載時間下，G1和G2型道路的可靠性規(guī)律幾乎相同，當超過5×10-6s荷載時間后，支座可靠性值呈近似線性下降趨勢。選取了200個道路譜樣本進行的臺架耐久試驗對比驗證結(jié)果，總體上反映了減震器支座的變形規(guī)律。采用蒙特卡洛方法并基于路譜載荷的應(yīng)力—強度干涉模型對于礦用車輛減震器可靠性分析具有一定的參考價值。

（3）本研究所收集的道路數(shù)據(jù)和減震器本身的設(shè)計均符合國內(nèi)標準，但是其定量結(jié)果僅適用于某些卡車的減震器系統(tǒng)。今后將從道路頻譜數(shù)據(jù)收集的真實性和準確性入手，建立更為適宜的試驗方案和算法模型，提高通道選擇和迭代的準確性，確保減震器的負載為耐力臺架試驗期間的實際應(yīng)力。