大型设备在运输途中的振动分析图文.docx
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大型设备在运输途中的振动分析图文
摘要
摘要
随着现代化工业建设的发展,大型设备的运输日趋频繁。
在运输途中,大型设备不可避免地会受到振动和冲击的作用,严重危害着设备的最终使用性能。
传统上大型设备在运输前的装车,大都在设备底部放置枕木或垫铁,基本上只是考虑设备的稳定性和车辆行驶中的安全性,而很少考虑大型设备在运输途中的振动问题。
对于这样一个现实的工程问题,在理论界同样地也没有得到应有的足够重视。
要对这一问题做深入的研究,首先建立系统振动的动力学模型非常关健。
但现有的分析模型要么过于简单,不能全面的反映车载设备系统的振动特性;要么虽然动力学模型很复杂,但其大都是针对车辆本身的平顺性和操纵稳定性研究的模型。
本文以当前国内广泛采用的重型牵引车加挂多轴平板车运输大型设备为基础,对其大胆地简化,合理地假设,建立了一个大型设备一车辆振动系统的九自由度动力学模型,用多体动力学的分析方法,依据拉格朗日方程,给出车载设备振动分析新模型及其动力学控制方程,进一步分析了车载设备振动系统新模型的特性。
仿真算例的结果表明了新给出的模型及其动力学方程的正确性和有效性。
关键词:
车载设备振动分析动力学模型拉格朗日方程
Abstract
ABSTRACT
Thedevolopmentofmodemindustryhasbroughtsomeproblemslikevibrationandshocktolarge-scaleequipmemtduringthetransportation,whichhavecausedimparementtotheirfunctions.Traditionallly,inmostcasesbeforebeingloaded,woodonandsteelsleepersareplacedundertheequipmenttogaranteestabilityandsafety;andlittleattentionandconsiderationhavebeengiventovibrationandshockbytheoristsandcarriers.
Itiscriticaltoestablishasystematicvibrationmodeltomakefurthurreaseachintothisproblem.But,ontheonehandtheproblemanalyticalmodelistoosimpletoreflectthefeaturesofequipmentontrucks.Ontheotherhand,althoughthedynamicmodelisverycomplicatedeither,butaremostlyaimedatthevehicleitself,harshnessandhandlingstabilitystudymodel.
Theauthorhasbasedhisassumptiononthepresentheavy—dutytractorsandtheirsimplications,behasestablishedninedegreefreadomdynamicsmodel.Theauthorhasalsopresentedanewmodelofheavy—dutytractorsandlargeequipment,basedontheanalysisofMulti-bodyDynamicsanddynamicsequation.Simulationexamplehasproved
thatthenew-presentedmodelanditsdynamicsequationeffectiveandcorrect
Keyword:
vehicle-equipmentsvibrationanalysisdynamicmodelLaeranffeeouation
第一章绪论
第一章绪论
1.1本文课题的背景及意义
大型物件的运输,自古有之。
古埃及金字塔重型石料的搬运,中国古代万里长城的修建,明清时期中国北京故宫中巨型大理石的运输,都是传统大型物件运输方式的典范。
在当时只能使用人力或畜力的情况下,或是在被搬运的大型物件下放入圆柱形滚棍,或是放入垫板后再涂上黄油等润滑剂,或是在冬季的道路上溅上水,使其结冰,然后用人力或畜力牵引大型物件位移,以达到运输大型物件的目的。
这种传统意义上的大型物件运输滚拖方式,一直沿用至今,特别是在运距不长而又缺乏大型起重设备的水路运输或铁路运输装卸地点常被采用。
在我国公路运输是大型物件运输的主要方式。
我国内地仍广泛采用大件货物滚拖盘路的运输方式。
世界上一些发达国家,如荷兰等国,在运输超过干吨甚至万吨的大型物件时,有时也采用滚拖盘运的动输方式。
另一种传统意义上的大型物件运输,是指使用人力或畜力为牵引力的车辆,作为大型物件装载工具。
如1936年,上海一家纺织厂从国外进口的1台重30余吨锅炉的运输。
当时,作为远东最大城市的上海,没有载重量在30吨以上的汽车平板车,于是承包该纺织厂棉纱运输的中国榻车运输工人土法上马,找来数辆铁轮大榻车,铺上几层垫木,增强榻车的整体负荷量,作为件重30余吨锅炉的运载工具,四五十名榻车工人肩拖手拉绳子,用了一周的时间,以人力从杨树浦码头才把锅炉运至吴淞口纺织厂u1。
当然,由于生产力的发展,采用传统滚拖运输方式时,牵引大型物件的动力源不再是人力或畜力,而是以电力为动力源的电动绞盘,或是以汽车发动机为动力的机械绞盘与液压绞盘,以及近年来采用的液压推进器。
随着我国经济建设的飞速发展,在电力、军事、桥梁、机械、造船、冶金以及石油化工等各个领域,大型工程建设越来越多,大型设备及重型结构的运输安装任务急剧增加,如造船厂船体运输安装、高速铁路预制梁的运输以及海上石油平台的运输安装等。
成套工业装备向大型化发展是电力、冶金、矿山、海洋采油、化工、物料装卸含港口装卸等设备制造行业产品的重要发展趋势。
在上述几大类产品中,有的
2大型设备在运输途中的振动分析
具有发运时不宜或不能拆分的重大部件,有的大型设备还要求整体发运。
对于这种重大件或整体产品,承制企业不但要能制造,而且要满足产品本身或用户对产品发货状态的要求。
如果只能造而不能发送运出,则大型企业的制造能力就受到限制。
甚至导致国家因此不得不从国外进口这些大型产品,不必要地耗费了国家外汇,成为我国自行提供大型机器产品的一个关键制约因素。
从我国扩大机电产品出口创汇考虑,对创造和改善大型产品的重大件及部分产品整机的发送条件的要求更加迫切。
大型设备的运输方式通常有公路运输、铁路运输、内河航道运输和海洋运输、航空运输。
其中,航空运输虽然速度快,时间周期短,但运力有限且成本高昂:
铁路运输运量较大,速度较快,运输风险明显小于海洋运输,能常年保持准点运营。
海洋运输是国际贸易中最主要的运输方式,国际贸易总运量中的三分之二以上,我国绝大部分进出口货物,都是通过海洋运输方式运输的。
海洋运输的运量大,运费低,航道四通八达,是其优势所在。
但速度慢,航行风险大,航行日期不易准确,是其不足之处。
铁路运输、内河航道运输和远洋运输容易受目的地限制,而公路运输则不会受到这些限制,因此它就成了一种最重要的运输方式。
“重大型物件"是相对概念,目前国际上尚无定论。
它的定义,随着社会生产力的发展而变化。
古代,以人力难以搬运的物件被称为重大型物件或重大件货物。
20世纪50年代,我国把单件重量在300kg以上,或400kg以上能滚动的货物,列入重大件货物的类别。
1995年12月颁发,1996年3月起施行的,交通部《道路大型物件运输管理办法》,对我国大型物件分类作了规定,大型物件按其外形尺寸和重量含包装和支承架分成四级:
一级大型物件是指达到下列标准之一者:
1长度大于14m（含14m小于20m;
3高度大于3m（含3m小于3.8m;
4重量大于20t（含20t小于lOOt。
二级大型物件是指达到下列标准之一者:
1长度大于20m（含20m小于30m;
4重量大于lOOt（含lOOt小于200t。
三级大型物件是指达到下列标准之一者:
1长度大于30m（含30m小于40m;
2宽度大于5.5m（含5.5m小于6m;
3高度大于4.4m（含4.4m小于5m;
第一章绪论
4重量大于200t（含200t小于300t。
四级大型物件是指达到下列标准之一者:
1长度在40m及以上;
2宽度在6m及以上;
3高度在5m及以上;
4重量在300t及以上。
大型物件的级别,按其长、宽、高及重量等四个条件中级别最高的确定。
从此,我国道路运输的大型物件定义有了量化规定。
在发达国家,由于管理、设施和制度的完善,设备、技术和工艺的先进,在重大件的运输上已经取得了巨大的收益。
在我国国民经济持续稳定发展的新形势下,国家重点建设工程项目的数量和规模都在不断增长,例如三峡水利、发电、‘输变电工程,核电、水电工程,乙烯、炼油、炼钢工程等相继上马和实施。
这些工程建设项目有一个共同的特点就是所需的进口或国产设备形状不规则,尺寸庞大,精度较高,单件重量从几十吨到几百吨不等,需从生产地或港口码头通过运输按限定的时间运至安装现场,对运输技术和运输质量要求很高。
经过多年不断的积累重大件的运输经验,我国大件运输业有了很大的发展,己经有了一定的规模。
重大件运输企业能够承担一部分大件运输,也培养了一部分有实际操作的人才。
但是,和国外重大件运输企业相比还有很大的差距。
目前,我国道路大件运输之最的运输记录分别为,单件重量最重930t。
1998年12月,济南市大件运输公司承运了单件重930t的加氢裂化反应器,创造了中国道路大件运输单件重量最重的新记录,并一直保持至今;1994年,渤海石油运输公司,为天津乙烯工程承运了83.7m长、12.34m高的丙烯精馏塔,打破了由上海市大型物件汽车运输公司于1981年创造的中国道路大件运输单件长度77m的记录,创造了中国道路大件运输单件长度之最的新记录。
。
.。
当今,国际道路大件运输单件重量之最的记录,已突破单件重量千吨的大关,分别为:
英国11070t石油钻井平台,德国6000t石油钻井平台,新加坡2600t。
我国道路大件运输单件重量之最的记录,尚未突破千吨关,与世界上一些发达国家相比,差距很大嘲。
交通运输是人类社会生产、生活中一个不可缺少的重要环节,它是国民经济的大动脉,完整的交通运输体系应由铁路、公路、航空、水运、管道等多种运输方式构成,承担各自的运输任务,互相联系又互相补充,发挥各自的优势,形成综合运输体系,产生巨大的运输效能。
作为一个特殊的运输领域,重大件运输是交通运输的重要组成部分,重大件运输一直是高技术、高附加值、高收益的代名词。
4大型设备在运输途中的振动分析
大型设备在运输途中,无论采用何种运输方式（公路运输、铁路运输、水运、航空运输,设备都会不可避免地受到振动、冲击、离心力、惯性力、磨檫力等机械力的作用,而对设备危害最大的是振动和冲击,如汽车在崎岖不平道路上行驶时引起的振动;飞机起飞、着陆以及飞行时遇到气流时产生的振动;轮船航行时遇到海浪时引起的颠簸。
振动和冲击对运输的设备产生的主要危害有:
1设备在某一激振频率作用下产生共振,最后因振动加速度超过设备的极限加速度而破坏设备,或者由于冲击所产生的冲击力超过设备的强度极限而使设备破坏。
2长时间振动或多次冲击会使设备疲劳破坏。
3振动会引起零件永久变形,使具有触点的电子元器件（电位器、波段开关可能产生接触不良或完全开路的问题。
4机械振动会使防潮和密封措施受到破坏,使螺钉和螺母松开甚至脱落,使指示仪表指针不断抖动,引起度数不准。
5振动还可能会使大型设备在运输工具（车辆、船舶、飞机上的紧固装置松脱,容易导致设备的移动、翻转、倒塌,甚至造成机毁人亡的事故。
大型设备在运输途中所发生的灾难性事故一直是屡见不鲜的口1。
此外,振动还会产生噪声,污染环境,影响乘员的身心健康;增加能量损耗;影响运输工具的操纵稳定性。
交通运输在各类经济活动中起着不可替代的基础作用。
铁路、空中、船舶运输固然重要,但他们都不是最终目的地,唯一能做到的只有公路运输,可见公路运输的重要地位。
作为大型设备公路运输的主力无疑是各类重型车辆。
为了消除和减轻大型设备在运输中受到振动的损害,有必要对此问题进行研究和分析。
基于以上所述和相关资料,本文提出了“大型设备在运输途中的振动分析"的题目,对于整个运输行业都具有一定的现实意义。
1.2车载大型设备振动分析的现状
自从1886年德国的卡尔・本茨（KarlBenz和哥特利布・戴姆勒（GottliebDaimler发明了汽车以来,人们对汽车能够拥有更为优异的性能的追求从来就没
第一章绪论
有停止过。
噪声、振动与舒适性,是衡量汽车制造质量的一个综合性问题,它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。
业界将噪声、振动与舒适性的英文缩写为NVH（Noise、Vibration、Harshness,统称为车辆的NVH问题H1,它是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。
有统计资料显示晡1,整车约有I/3的故障问题是和车辆的NVH问题有关系,而各大公司有近20%的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上。
NVll问题是系统性的。
对于汽车整车振动特性的研究,是伴随着车辆的产生而开始的。
人们很早就己经认识到整车振动特性研究的重要性,但那时由于试验条件和理论工具的限制,主要是采用实验观察和试验测试的方法进行研究阳1。
20世纪30年代,人们最初建立整车振动模型时,由于当时数学、力学理论、计算手段及试验方法的限制,只是把汽车简化成两自由度四分之一车辆模型,这类模型一般先假设车身的质量分配系数接近1,并认为车身前后部的振动是相互独立的,就可以建立代表四分之一车辆的两自由度模型订1。
用这种模型进行分析时,求解容易,计算量小。
但只能分析车身和车轮的垂直振动,因此分析结果的精度不高。
早期有关悬架参数和座椅特性参数优化匹配的研究,大多采用这种模型。
由于这种模型忽略了车身的纵向角振动和侧向角振动,因此,一般用于粗略的定性分析研究中。
随着研究的不断深入,模型建立的方法也有了进步。
从20世纪50年代开始,人们发展了3自由度乃至更多自由度的模型阳1。
在车辆分析中,假定车辆相对于纵垂面完全对称,左右车轮下的路面不平度变化完全一致,则可认为车辆在纵垂面上振动,就可以将车辆简化为代表二分之一车辆的平面五自由度模型。
该模型反映了车身的垂直振动和纵向角振动,路面的不平激励输入包括前轮和后轮。
五自由度模型分析得到的结果精度高于二自由度模型,因此,在车辆振动预测与平顺性模拟分析、悬架参数优化设计等研究中,平面五自由度模型得到更广泛的应用。
到了20世纪80年代,为了全面反映车身的垂直振动、纵向角振动及侧向角振动,并把路面通过各车轮将不平激励传递给车身这一特点反映出来,人们将车辆简化为三维立体模型阳1。
该模型将四个车轮所受的路面激励的差异以及车身的侧倾对车身振动的影响考虑进来,比较真实地反映了车辆振动的实际状况。
采用这种模型,还能将前后悬架结构形式的不同组合情况表示出来,即前独立悬架、后非独立悬架、前后都是独立悬架、前后都是非独立悬架等多种组合。
为能更精确地分析车辆振动,有的文献中n们采用了更复杂的车辆振动模型。
如研究长轴距的重型载货车辆的振动时,考虑车架的一阶弯曲和一阶扭转振动,建立了三维十自由度模型:
或者为了减小驾驶员座椅的振动,进一步考虑驾驶室本身的三维振动,从而将整车简化为十五个自由度的模型,而在进行平顺性分析时会产生较大
6大型设备在运输途中的振动分析
的误差。
另外,对于多自由度的复杂模型,手工推导过于烦琐,所以这类模型也不适合于分析复杂的平顺性问题。
近二十年来,在建立整车振动模型方面,也出现了新的预估系统动态特性的动态子结构法,包括机械导纳综合法和模态综合法n射。
前者需要同时测定多个传递途径的动刚度系数,并且需要保证足够的相位精度,这是非常困难的。
因而这种方法虽然从理论上讲能适用于复杂系统,但实际应用则有很大的局限性n引。
模态综合法则是在有限元法基础上发展起来的,其基本思想是把复杂结构分为若干部件（子结构,而每个部件可用计算或试验的方法求得模态参数,最后根据实际的边界条件,将各子结构的模态特性叠加起来,再通过平衡方程和约束方程将物理坐标简化,就可得到用广义坐标（模态坐标表示的运动方程,由此可计算组合系统的动态响应,大大减少了模型的自由度n71。
综上所述,整车振动模型的发展实际上经历了一个从二自由度到多自由度,即从粗略到精确的过程,以使汽车的力学模型越来越接近实车系统。
大型设备在公路运输途中会不可避免经受到一定的振动和冲击,对于如何减小设备在运输途中的振动和冲击这一问题,人们一直都很关注。
但遗憾的是直到目前为止,国内外对此问题仍然仅仅拘泥和集中于车辆和设备本身减振的研究,即是:
一方面通过对车辆的振动特性的研究,进而提高车辆的舒适性,减小车辆的振动;另一方面通过对设备的动态特性和动力响应的研究,为设备的结构设计提供理论依据,从而提高设备的抗冲击和振动的能力。
国内外这两方面的研究进行的比较深入,资料也比较多,也都取得了相当大的成果。
第~章绪论7
西安电子科技大学的仇原鹰n81和贾建援n鲥在文献中采用有限元分析技术分别对车载电子方舱在道路随机激励和碰撞冲击作用下的响应做了预估,为机动方舱的布局设计、振动控制提供了参考。
王锐等在文献唧1中使用I—DEAS软件对某一舰载的显控台进行了模态分析,并根据计算结果提出了加固方案。
电子科技大学的王红芳在文献乜订中对电子设备的框架结构和即插即用电路板的动态特性进行了有限元计算和实验的对比研究,提出了电子设备动态设计的四个要点,突显了有限元计算与实验分析相结合的优势。
杨宇军在文献口羽中以航天计算机为分析研究对象,用有限元分析技术进行了动力学仿真:
模态分析、半正弦波冲击和随机激励下响应的仿真,指出动力学仿真分析对于提高产品的环境适应性起着举足轻重的作用。
上海交通大学的王其东等在文献心31中对电子机柜连接部位的结构特性进行了分析,对建立机柜连接部位的有限元模型的方法进行探讨,通过模态分析计算比较了不同模型给仿真结果带来的误差。
中北大学的李威在文献位41中通过理论分析,建立路而对四轮汽车输入的时域模型,对其进行动力学仿真,建立行驶动力学的七自由度汽车模型,代入路面随机输入的不平度变量,该模型可保证实时精度,以利于车体的设计计算。
刘小洪在文献中∞1建立了一个包括入一椅系统在内的五自由度数学模型,介绍复合频响函数的推导、激励谱的确定、振动响应的计算以及模型的验证。
吉林大学的张威在文献啪1中指出:
当前国内外对于汽车动力学包括对一切与车辆系统相关运动的研究,其最核心的是平顺性和操纵稳定性这两大领域,平顺性模型主要经过集中质量一一弹簧——阻尼模型、有限元模型和动态子结构模型阶段,而操纵稳定性模型从低自由度线性模型、非线多自由度模型发展到多体模型
传统上大型设备在运输前的装车,大都仅在设备底部放置枕木或垫铁,基_本上只是考虑设备的稳定性和车辆行驶中的安全性,而很少考虑大型设备在运输途中的振动问题。
对于这样一个现实的工程问题,在理论界同样地也没有得到应有的足够重视,因而国内外在这方面的资料和报导也就很少了,甚至几近没有。
基于以上所述的情况,对于车载设备的减振问题的研究,国内外目前集中在车辆的平顺性和操纵稳定性和设备的动力响应及结构设计方面,而本文的目的和意义是想在设备和车辆之间的减振做~些有益的探索,看能否寻找到一点突破。
1.3本文的内容组织结构概述
本文题目是“大型设备在运输途中的振动分析",目的在于从理论上对如何减小大型设备在运输途中的振动做一些有益的探索。
本文的内容组织结构如下:
第一章:
阐述了本文所研究内容的背景、国内外现状、问题所在、研究的意
大型设备在运输途中的振动分析
义和内容组织结构。
第二章:
针对大型设备公路运输的主流工具半挂平板车,通过合理的简化,建立大型设备一车辆系统动力学模型。
第三章:
依据系统动力学模型,计算得到系统振动的微分方程。
第四章:
应用Matlab软件对系统振动的微分方程进行仿真数值求解,并进行结果分析。
第五章:
对全文做一个简单的总结,指出了研究中的不足,并对今后在这个方向上的研究工作进行展望。
1.4本章小结
首先介绍了当前国内外大型设备的运输现状,从而引出“大型设备在运输途中的振动’’的问题。
对于该问题研究的重大意义、现状、难点作了一定的介绍,并提出了一种新的动力学模型。
说明了本文的内容组织结构。
第:
章建立车载设备系统的动力学模型
型
第二章建立车载设备系统的动力学模型
要准确预测和分析大型设备在运输途中的振动情况,首先要建立合适的山学模2.1大型设备的运输车辆
人型设备的长距离公路运输,以重型牵引车拖带挂车（平板车的方式最为
经济。
用丁道路大件运输的平板车种齐全,包括各种全挂车、半挂车、白行式平板车.以及旨尾可变、长宽可变、全挂与半挂形式可变的“变形金刚”平板车。
下图为目前国内业界常见的一种大型设备运输专用低平板车。
生产厂家为重庆红岩重型汽车厂,前部即是牵引车,后部为低平板挂车。
图2]半平扳挂乖
2.2设备在运输途中振动产生的原因
大型设备在运输途中振动产生的原因有很多方面。
最丰要的原因是车辆本身就由多个系统组成的复杂的振动系统,而每个系统都存在振动问题。
下面就讨论几个主要系统存在的振动问题”1。
1发动机和传动系统:
汽车行驶时因道路不平,汽缸内的燃气压力和运动件的不平衡惯性力周期性变化的结果,都会使曲轴系统和发动机整机产生振动。
其中,曲轴系统的扭振比较重要,而且与整车传动系统有关。
lO大型设备在运输途中的振动分析
2制动系统:
汽车在制动时,行驶方向的惯性力矩会使前轴负荷增大,后轴负荷减小,从而加强了制动时整车的振动。
3转向系统:
由于转向横拉杆有一定的弹性,轮胎又有侧向变形和侧向力的作用,汽车在行驶时,前轮会绕主销左右摇动,将这种转向轮绕主销的振动称为前轮摆振。
若出现这种摆振,车轮的轨迹将是波浪形曲线,此时,汽车出现所谓的“蛇行现象”。
4悬架系统:
汽车在行驶时,路面的不平度会激起汽车的振动。
车轮与路面的动载荷,不仅影响轮胎的附着效果,而且影响汽车的操纵稳定性。
5车身与车架:
受到其它系统的影响,车身与车架会产生变形,这种变形反过来也会影响整车的振动。
2.3车载设备系统的动力学模型
根据振动理论,系统的自由度是指完全描述系统在任何时刻与任何位置时所需的独立坐标的个数,下面分析考虑车载设备振动分析时所需的自由度。
汽车是一个复杂的多自由度振动系统,在计算机未普及之前常简化成2~3个自由度系统,这样的计算结果只能作定性分析,应用计算机就可以进行多自由度系统的计算啪1。
当然自由度取得越多理论上就越逼近真实系统。
但计算前要求测定的有关参数也就越多,由于测试设备及手段的局限性,产生的测量误差会给计算结果带来较大的误差。
在对汽车振动系统的频率响应的研究中,有人将汽车简化成五自由度平面模型力学系统啪1,
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