测试仪钢丝绳减振器缠绕直径的传递比仿真分析

高 超，靳 鸿，陈昌鑫，张红艳，马铁华

（中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

测试仪钢丝绳减振器缠绕直径的传递比仿真分析

高 超，靳 鸿，陈昌鑫，张红艳，马铁华

（中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

为减小履带式车辆动态测试仪在车辆行驶中所受到的振动，采用仿真方法研究钢丝绳减振器的缠绕直径对减振系统传递比的影响特性。通过分析履带式车辆行驶过程中的振动特点，选用缠绕直径不同的钢丝绳减振器分别构建减振系统，在Pro/E中建立各减振系统的等效实体模型，然后导入有限元软件ANSYS中进行模态分析。经模态分析获得各减振系统前4阶模态对应的固有频率，计算得到各减振系统的传递比。结果表明在现有定型产品中，上下夹板尺寸以及缠绕圈数固定的钢丝绳减振器，缠绕直径越大减振效果越弱，对工程中测试仪减振设计有一定参考价值。

履带式车辆；传递比；模态分析；钢丝绳减振器；缠绕直径

0 引 言

履带式车辆在行驶过程中受路面不平度影响会产生车体振动[1]，对测试信号影响较大，若无有效的减振，会将噪声引入测试电路，甚至会引起印制电路板焊点松动等问题，以上因素均会导致测试数据不准确[2]。因此，车辆动态参数测试仪减振器的合理选用就显得尤为重要。常见的测试仪减振器有橡胶减振器和钢丝绳减振器两种。橡胶减振器在高温环境下自身阻尼系数会出现较大衰减[3]，不适于环境温度较高的履带式车辆内部测试仪的减振；而钢丝绳减振器具有性能稳定、寿命长、抗环境污染能力强、计算可靠等优点[4]，使其成为履带式车辆动态参数测试仪减振系统的理想选择。减振系统传递比受钢丝绳减振器多参数的影响，如钢丝的型号、钢丝绳的缠绕圈数以及钢丝绳的缠绕直径等。目前对钢丝绳减振器的选取一般以经验选取为主，缺少具体的理论支持。针对以上问题，本文采用控制变量法，通过Pro/E三维建模，ANSYS模态分析的方法，对不同缠绕直径的钢丝绳减振器所构成的减振系统进行对比分析，研究钢丝绳减振器缠绕直径对减振系统传递比特性的影响。

1 工况分析与减振原理

1.1 工况分析

行驶中的履带式车辆，其直接振源主要包括车上的动力系统、路面不平度载荷和各种随机载荷。履带式车辆在行驶过程中受路面不平度产生的激励频率范围在0～150Hz[5]。在工程中不同频段对应的频率范围如表1所示，由表确定车体激励频率属于低频段。钢丝绳减振器的最大优点是固有频率低，通常其频率范围可以低至5～28Hz，低频段减振效果非常好，所以选择钢丝绳减振器作为减振装置。

表1 不同频段对应的频率范围

1.2 减振原理

履带式车辆动态参数测试，一般将采集存储电路灌封于测试仪壳体中，测试仪壳体通过减振器连接在车体上，这样避免测试仪壳体与地基刚性连接，减小传递到测试仪壳体上的振动；而传感器通过导线将信号引入测试仪。测试仪减振系统结构示意图如图1所示。

图1 测试仪减振系统结构示意图

减振器之所以能起到减振效果，是以弹性支撑代替振源与测试仪壳体之间的刚性连接，从而在一定频率范围内降低了从振动源传递到测试仪壳体的激振力。减振系统通过减振器与刚性地基连接，可简化为受迫振动系统[6]，其运动微分方程为

式中：m——设备的质量；

K——刚度系数；

C——阻尼系数；

y——激振力振幅；

ω——激振角频率。

2 减振系统模态分析

2.1 模型建立

2.1.1 钢丝绳减振器建模

为比较钢丝绳每圈缠绕的长度对减振系统传递比的影响，选择GTJ-24系列钢丝绳减振器下的3种型号，GTJ-24系列示意图如图2所示，对应的尺寸如表2所示。

图2 GTJ-24型示意图

表2 GTJ-24系列钢丝绳减振器尺寸表

其中GTJ-24型钢丝绳减振器中的钢丝绳为6× 19型。如果对钢丝绳1∶1进行实体建模，前期的模型建立与后期仿真中的网格划分及各部件之间的约束添加都很复杂。马琴等[7]提出了一种简化方法，对钢丝绳减振器模态分析时，将钢丝绳等效为一根钢丝且通过实验和仿真手段验证了该方法的可行性，同时得到等效钢丝绳的弹性模量为41.376 GPa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.25。陈斌等[8]也通过分析计算验证了该方法的可行性。因此采用该方法，通过Pro/E三维建模得到钢丝绳减振器的模型如图3[9]所示。

图3 钢丝绳减振器三维模型

2.1.2 减振系统建模

系统选用两个同一型号的钢丝绳减振器，安装分布如图4所示。上下夹板通过螺钉固定在测试仪壳体和底板上，隔离底板和测试仪壳体，从而起到减振效果。通过Pro/E建立尺寸为250 mm×200 mm× 150 mm壁厚为8 mm的测试仪壳体模型，质量小于额定负载，建立尺寸为600mm×600mm×30mm的地基模型。通过Pro/E将各部件装配，减振系统装配图如图5[10-11]所示。

图4 钢丝绳减振器安装位置（单位：mm）

图5 减振系统装配图

2.2 模态分析

将Pro/E建立好的模型保存为.x_t格式导入到ANSYS中，如图6所示。测试仪壳体材料添加为铝，钢丝绳减振器的上下夹板以及地基的材料添加为普通结构钢。钢丝绳减振器中钢丝绳的等效弹性模量为41.376GPa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.25。根据实际情况定义各部件之间的连接关系，由于各部件之间是刚性连接，所以将测试仪壳体与钢丝绳减振器之间的连接关系添加为Bonded，钢丝绳减振器与地基之间的连接关系也添加为Bonded。网格划分选用Element Size选择为100mm[12]。在实际减振过程中，地基认为固定不动，将地基约束，使其静止。测试系统的激励频率为0～150Hz，属于低频段，因此分析减振系统的低阶模态[13]。针对减振系统进行前4阶模态分析。

图6 减振系统导入ANSYS中的视图

3种钢丝绳减振器对应减振系统的建模与仿真过程都一样，其解算结果如表3所示。

表3 3种减振系统的模态分析结果

3 分析计算

地基受迫振动时，通过弹簧传递到测试仪壳体的作用力与迫使地基振动的驱动力的比值称为传递比T。传递比是表征减振器减振效果的物理量，传递比越小，则减振效果越好。对于单自由度振动，且振动驱动力为简谐力，则得：

式中：TT——地基传递给减振器的力；

T0——测试仪受到的驱动力；

f/fn——频率比，即驱动力频率与系统固有频

率的比值；

ζ——阻尼比。

6×19型钢丝绳隔振器对应阻尼比为ζ=0.17[14]，某型号履带式车辆的激励频率采用f=23Hz。将表3中的各阶固有频率fn与激励频率f=23Hz以及ζ=0.1带入式（2）中得到3组钢丝绳减振系统的传递比如表4所示。

表4 3组钢丝绳减振器的传递比

由表可知，对于同一测试仪，缠绕直径不同的钢丝绳减振器，缠绕直径越大，则钢丝绳减振器的传递比越高，即减振效果越弱。

对受低频振动影响的部件进行测试时，只考虑减振系统的低阶固有频率。钢丝绳减振器缠绕直径越小，减振系统的低阶固有频率越低，则系统的传递比越低、减振效率越高。

4 结束语

对于受低频振动影响的同一测试仪，以缠绕直径不同的钢丝绳隔振器所组成的减振系统为对象，利用ANSYS进行低阶模态分析，仿真计算得出各减振系统不同模态下的传递比。仿真计算结果表明对于同一被减振对象，钢丝绳减振器缠绕直径越大，隔振效果越弱。因此，对于受低频振动影响的测试仪，在进行测试仪减振工程设计时，要尽量选用缠绕直径小的钢丝绳减振器，以实现较大的隔振效率。本文对受低频振动影响的测试仪减振设计有一定参考价值。

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（编辑：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

国家自然科学基金（61471385）；中北大学重点实验室开放研究基金（ZDSYSJ2015002）

高 超（1990-），男，山西忻州市人，硕士研究生，专业方向为动态测试与智能仪器。

陈昌鑫（1988-），男，讲师，博士，主要从事动态测试与智能仪器研究。