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振动压路机驾驶室振动研究与控制

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摘要

第一章 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 单钢轮型振动压路机整车隔振系统

1.2.1 振动压路机的主要技术参数

1.2.2 振动压路机整车减振系统

1.3 振动压路机振平顺性研究现状

1.3.1车辆平顺性评价方法研究历史

1.3.2 振动压路机平顺性试验研究现状

1.3.2 振动压路机平顺性建模与仿真研究现状

1.4 车辆驾驶室隔振研究现状

1.5 车辆驾驶室隔振优化研究现状

1.6 国内外研究现状总结

1.7 论文研究内容及其解决方法

第二章 工程机械振动对人体的影响及舒适性评价

2.1 振动对人体健康的影响

2.2.工程机械振动对驾驶员身体健康的影响

2.3.工程机械驾驶室舒适性设计

2.4 工程机械乘坐舒适性评价方法

2.4.1 车辆乘坐舒适性主观评价方法

2.4.2 车辆乘坐舒适性客观评价方法

2.4.3 车辆乘坐舒适性综合评价方法

2.5 本章小结

第三章 振动压路机驾驶室橡胶隔振器静态特性、整车动态特性与平顺性试验研究

3.1 驾驶室橡胶隔振器静刚度试验

3.2 振动压路机整车动态特性测试与分析

3.2.1 试验模态分析基本理论

3.2.2 整车模态试验

3.3 振动压路机转场的平顺性试验与分析

3.3.1 试验点的布置

3.3.2 振动压路平顺性评价

3.3.3 振动压路机驾驶室橡胶隔振系统动态特性的频谱分析

3.3.4 振动压路机驾驶室前后和左右的晃动测验分析

3.4 本章小结

第四章 基于有限元法的驾驶室低频晃动分析与隔振优化

4.1 车辆有限元振动模态及谐响应分析

4.1.1 有限元振动模态分析理论

4.1.2 有限元谐响应分析理论

4.1.3 车辆结构动力学分析的有限元法

4.2 振动压路机有限元模型的建立

4.3 振动压路机整车的动力学分析

4.3.1 振动压路机整车模态分析

4.3.2 振动压路机整车谐响应分析

4.4 路面不平度对振动压路机的激励

4.5 振动压路机驾驶室隔振系统优化

4.5.1.振动压路机驾驶室隔振系统优化设计

4.5.2 振动压路机驾驶室辅助隔振器优化设计

4.6 本章小结

第五章 土壤地面对振动压路机平顺性建模与仿真研究

5.1 车辆整车动力学建模与优化的研究方法

5.2 振动压路机驾驶室隔振系统整机动力学模型及其参数确定

5.2.1 振动压路机驾驶室系隔振系统整机动力学模型

5.2.2 振动压路机整车动力学微分方程组参数的确定

5.3 振动压路机在不同土壤地面的激励分析

5.3.1 车轮-刚性路面接触模型

5.2.2 车辆在软性土壤地面行驶

5.3.2 车轮-土壤地面变形接触模型

5.4 振动压路机整车动力学仿真

5.5 不同转场工况下整车模型仿真结果与试验结果比较

5.6 不同工作条件下对驾驶员舒适性的影响

5.6.1 不同地面条件和行驶速度下对驾驶员舒适性的影响

5.6.2 不同作业工况对驾驶员舒适性的影响

5.7 驾驶室隔振系统参数对驾驶员舒适性的影响

5.7.1 行驶工况下驾驶室隔振参数的影响

5.7.2 作业工况下驾驶室隔振参数的影响

5.8 本章小结

第六章 基于遗传算法的驾驶室橡胶隔振系统多目标优化

6.1 多目标优化问题的基本理论

6.1.1 多目标优化问题

6.1.2 多目标优化最优解的基本定义

6.1.3 多目标优化方法

6.2 多目标优化遗传算法

6.2.1 非劣排序遗传算法(NSGA)

6.2.2 带精英策略的非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)

6.2.3 NSGA-Ⅱ算法程序测试

6.3 振动压路机驾驶室橡胶隔振参数优化设计

6.3.1 优化模型的建立

6.3.2 优化结果分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结与创新

7.2 工作展望

参考文献

致谢

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摘要

最近年来,振动压路机在国际市场上不仅要求越来越多的工作能力,而且也要求越来越高的乘坐舒适性。因此,为了减少工作时振动影响,识别和消除振动源是达到最佳设计的最重要任务之一。实际工况中振动压路机车轮会在各种土壤地面上行驶和作业,车辆振源不仅车轮与变形土壤地面互相作用的激励会引起车体的振动,而且振动轮和发动机激励也会引起车体振动。这种振动是驾驶人员工作疲劳的主要原因之一。通过车辆系统动态优化设计,使车辆无论是行驶还是作业,都能为车辆提供优良的工作平顺性,从而最大程度减轻车辆振源激励引起的振动,减轻驾驶员的劳动,提高驾驶员的工作效率。 本文以单钢轮型振动压路机平顺性和其驾驶室橡胶隔振系统为研究对像,基于整车模态试验结果分析,建立了整车驾驶室隔振系统有限元模型,针对驾驶室低频前进晃动问题进行驾驶室隔振系统优化;基于整车转场平顺性试验结果分析,建立了整车驾驶室橡胶隔振系统非线性动力学模型,以车轮-变形土壤地面互相作用以及振动轮为激励,以驾驶室座椅垂向、驾驶室的俯仰角和侧倾角的加权加速度均方根值为目标函数。采用Matlab/Simulink软件对整车模型进行仿真计算,分析了不同工作条件和驾驶室橡胶隔振参数对驾驶员乘坐舒适性的影响。最后基于多目标优化遗传法的驾驶室隔振参数优化设计,提高了振动压路机的行驶和作业平顺性。论文主要内容及创新成果包括: 1.论文对振动压路机平顺性进行了试验:(1)采用单点激励,多点测量方法,应用比利时LMS动态测试以及分析系统,进行了整车动态特性试验,获得了整车固有频率,在试验结果中发现驾驶室第一阶固有频率为4.2Hz与路面频率激励非常接近,因此在工作过程中两者很容易产生共振,会导致驾驶室舒适性变差;(2)对振动压路机转场的平顺性进行了试验,并根据ISO2631标准分析与评价了高频原地、高频原地、低频行驶和高频行驶的振动的四种工况对驾驶员乘坐舒适性的影响,该分析结果表明振动压路机在行驶振动工况时驾驶员疲劳降低工效时间为2.23~3.43小时,小于保持驾驶员操作工作工效TFD时间4小时的要求,整车的行驶和作业平顺性不好。同时基于驾驶室隔振橡胶系统动态特性的频谱结果分析,发现了车辆在行驶振动工况驾驶室橡胶隔振器对低频振动没有起到有效的隔振作用,尤其垂向振动,会导致驾驶室舒适性变差。最后分析与评价了不同作业工况对驾驶室晃动的影响,分析结果表明振动压路机行驶振动工况下驾驶室俯仰和侧倾角的权加速度均方根值要高于原地振动的工况,会导致驾驶室晃动增加,驾驶员舒适性降低。无论从哪个角度分析,其试验结果均表明整车平顺性较差,需要进一步对振动压路机驾驶室隔振系统和驾驶员座椅悬架系统进行改进,提高了驾驶员乘坐舒适性。 2.以整车动态特性试验结果分析为基础,针对振动压路机在行驶和作业时驾驶室存在水平前进方向的低频晃动问题,建立了振动压路机整车有限元模型。采用模态和谐响应分析理论分析了整车固有频率,动态计算结果与试验结果能很好地吻合。在试分析结果与动态仿真的基础上,找出驾驶室低频晃动的主要原因,提出在低频域内,以水平前进方向两点响应幅值差为极小值的隔振优化模型,对辅助隔振器进行优化设计,解决了振动压路机驾驶室水平前进方向晃动问题。 3.基于车轮-变形土壤地面接触的几何非线性特性分析,以驾驶员座椅垂向、驾驶室的俯仰角和侧倾角的加权加速度均方根值为目标函数,建立了三维某单钢轮振动压路机非线性动力学模型。其中,基于AdamD和KopfF的弹塑性土壤模型和软性土壤地面的Bekker假设,建立了1/4车轮-变形土壤地面接触非线性动力学模型,描述了车轮在变形土壤地面下行驶和对前后车架产生垂直激励力。采用Matlab/Simulink软件对建立的非线性动力学模型进行了仿真计算。通过对不同作业工况下模型数值仿真和试验对比,验证了模型的正确性。根据ISO2631-1(:)1997(E)标准分析和评价了不同作业条件和驾驶室隔振参数对驾驶员乘坐舒适性的影响。该结果表明(1)不同作业条件对驾驶员舒适性指标,刚性路面不平度等级对振动压路机行驶平顺性有较大影响,路面等级越差,驾驶员的主观感觉越不舒适;路面的变形对驾驶室水平晃动有较大影响,土壤路面越软,驾驶室晃动越大;弹塑性土壤对振动压路机的影响表现在低频工况压实时,车辆平顺性比较差。(2)驾驶室隔振系统中,刚度和阻尼参数的最佳匹配对车辆平顺性的影响非常明显;随着驾驶室隔振刚度的增加,车辆平顺性从优向劣转变,而随着驾驶室隔振阻尼的增加,车辆平顺性呈现从劣向优转变。 4.以整车模型仿真结果分析为基础,对驾驶室隔振系统参数进行了优化设计,提出以驾驶员座椅垂向、驾驶室的俯仰角和侧倾角的加权加速度均方根值为优化目标函数。基于整车非线性动力学模型的Simulink与NSGA-Ⅱ遗传算法对驾驶室隔振参数联合优化设计。参数优化后振动压路机在不同工况下3个优化目标函数值都降低,车辆平顺性明显提高。

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