（机械制造及其自动化专业论文）货物捆绑包装运输系统动力学仿真研究.pdf

武汉理丁大学硕十学位论文 摘要 在流通环节中，引起包装件破损的原因主要是运输环境中的冲击和振动。 目前防止包装件遭受外力而产生机械损伤的主要办法是采用缓冲技术来进行缓 冲包装，但是，现在的缓冲包装没有恰当地同时考虑内装物的特性和运输环境 条件来进行设计。在很多情况下，要么缓冲包装不足，要么相反缓冲包装过分。 本文建立了一种货物、捆绑器、载货汽车有效连接在一起的运输包装系统。 目前国内对车辆一包装件动力学模型动态特性的研究甚少，而将货物捆绑专 用工具捆绑器用于包装运输系统这方面的研究国内至今空白，本论文的工作将 为缓冲防震包装系统的结构设计提供一种新的建模与分析方法。 根据浙江双友公司生产的汽车货物捆绑器用于汽车运输的具体情况，本文 以东风e q l1 5 6 w 3 型号载货汽车和b 5 0 型汽车货物捆绑器为研究对象，参考国 际标准i s o 厂r c l 0 8 s c 2 n 6 7 中提出的“路面不平度表示方法”和国标“车辆振动 输入一路面不平度表示方法 ，求出了路面随机激励的路面功率谱密度和时域模 型，考虑四轮输入的相关性，前后轮路面输入时间上的延迟，得到了路面对四 轮汽车输入的功率谱矩阵和时域模型。 再根据研究问题的需要，建立了整个包装运输系统平面五自由度和空间八 自由度动力学模型及包装件二自由度系统动力学模型，并推导出相应的数学模 型；借助仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真，得到一些重要指标在时域内的响 应变化曲线，通过比较仿真结果，从而证明捆绑器的应用是正确合理的。 最后通过汽车捆绑带参数的对比仿真研究，说明了本论文模型建立及参数 选取的正确性和有效性。而且选用其他的路面等级，改变载货车辆载货量及车 速，可以进一步模拟出较为符合实际的不同路况下路面随机激励，以其作为输 入求取振动系统的时域内的响应，研究载货汽车的动态性能。同时也为不同货 物选取相应参数的捆绑器提供参考。 关键词：运输包装捆绑器动力学方程时域响应 武汉理丁大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i nc a u s eo fp a c k a g ed a m a g ei ss h o c ka n dv i b r a t i o nd u r i n gt r a n s p o r t a t i o n n o wc u s h i o np a c k a g i n gi st h eb e s tw a yt op r o t e c tp a c k a g ea g a i n s td a m a g e c u s h i o n p a c k a g i n gi su s i n gc u s h i o nt e c h n o l o g yt op r o t e c tp r o d u c t s b u t t h ec u s h i o np a c k a g i n g d o e sn o tp r o p e r l yt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o d u c t sa n dt h e t r a n s p o r tc o n d i t i o n s i nm a n yc a s e s ，c u s h i o np a c k a g i n g i se i t h e ri n a d e q u a t eo r e x c e s s i v e i nt h i sp a p e r , an e wt r a n s p o r tp a c k a g es y s t e mi sr a i s e d t h eu s eo ft i e d o w nt o o li nt h es y s t e mc a ne f f e c t i v e l yl i n kt h et r u c ka n dp a c k a g e ，p r o t e c t i n gt h e e x c e s s i v ep a c k a g i n ga n dp a c k a g ed a m a g e a tp r e s e n tt h er e s e a r c ho ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ev e h i c l e - p a c k a g e m o d e li sr e a l l yf e w a n dt h er e s e a r c ho nt h er i s eo ft i ed o w ni nt h ep a c k a g i n g t r a n s p o r ts y s t e mi ss t i l lb l a n k t h i sp a p e rw i l lp r o v i d ean e wm o d e l i n ga n da n a l y s i s m e t h o d sf o r t h ed e s i g no fc u s h i o np a c k a g i n g t h ep a p e ru s et h ee q l15 6 w 3t r u c ka n db 5 0t i ed o w na st h er e s e a r c ho b j e c t a c c o r d i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h et i ed o w n u s e dt og o o d st r a n s p o r to ft o p s u n g r o u pc o ，l t d i no r d e rt os i m u l a t et h er o a ds u r f a c e ，w er e f e rt ot h en a t i o n a l s t a n d a r di s o t c10 8 s c 2 n 6 7a n dc h a n g c h u nv e h i c l eg r a d u a t es c h o o lv e h i c l e v i b r a t i o ni n p u te x p r e s so ft h er o a di r r e g u l a r i t y t h ep o w e rs p e c t r u md e n s i t ya n dt h e t i m ed o m a i nm o d e lo fr a n d o mr o a de x c i t a t i o nb a s e do ne x i s t i n gr a n d o mr o a d e x c i t a t i o nd a t u ma r es u m m a r i z e d c o n s i d e r i n gt h ec o r r e l a t i o no ft h ef o u rw h e e l s i n p u tt h a tt h et i m ei sd e l a y e db e t w e e nt h ef r o n ta n d r e a rw h e e l ，t h ef o u r - w h e e lr o a d p o w e rs p e c t r u md e s t i n ym a t r i xa n dt i m ed o m a i nm o d e lc o n f o r mt ot h ec h a r a c t e r so f t h ea c t u a lr o a da r ef o u n d e d a c c o r d i n gt o t h en e e df o rs t u d y i n gt h ep r o b l e m ，t h ed y n a m i cm o d e lo f p a c k a g i n gt r a n s p o r ts y s t e mp l a n a r f i v e f r e e d o ma n ds p e c i a le i g h t f i e e d o mi s d e v e l o p e d a l s ot h ed y n a m i cm o d e l o fp a c k a g et w o - f r e e d o mi sb u i l t t h e c o r r e s p o n d i n gm a t hm o d e li sc o n c l u d e d t h r o u g ht h es o f t w a r em a t l a b s i m u l i n k ，t h e c u r v e so fs o m ei m p o r t a n ti n d e x e sa r eo b s e r v e di nt h et i m ed o m a i n b yc o m p a r i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，p r o v i n gt h eu s eo ft i ed o w ni sc o r r e c ta n dr e a s o n a b l e 武汉理一i ：大学硕十学位论文 a tt h ee n d t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ha b o u tt h ec h a n g eo ft i ed o w np a r a m e t e r s s h o wt h a tb u i l d i n gm o d e la n ds e l e c t i n gp a r a m e t e r sa r ec o r r e c ta n de f f e c t i v e s e l e c t i n g d i f f e r e n tl e v e l so fr o a d ，c h a n g i n gt h el o a dv o l u m ea n dv e h i c l e s p e e d ，t h em o r e r e a l i s t i cr a n d o mr o a de x c i t a t i o nu n d e rd i f f e r e n tr o a dc o n d i t i o n sw i l lb er e a l i z e d a s s y s t e mi n p u t ，t h er e s p o n s ei nt h et i m ed o m a i no fv i b r a t i o ns y s t e mc a r lu s et os t u d yt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft r u c k a tt h es a m et i m e ，i ta l s oa p p l i e sar e f e r e n c ew h i c h d i f f e r e n tg o o d ss e l e c tc o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s t i ed o w n k e yw o r d s ：t r a n s p o r t a t i o np a c k a g e ，t i ed o w n ，d y n a m i ce q u a t i o n ，t i m ed o m a i n r e s p o n s e i i i 武汉理【大学硕+ 学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 货物捆绑包装运输系统动力学仿真研究 1 1 本论文研究背景与意义 第1 章绪论 包装是指在流通过程中保护产品，方便储运，促进销售，按一定技术方法 而采用的容器、材料及辅助物等的总称。作为包装工程学科的一个分支，运输 包装主要研究在流通过程中引起包装件损坏的各种危害，研究造成这些危害的 多种因素和将损坏减少到最低程度所采用的技术或管理手段【l 】。 现代社会的包装的已成为商品销售的一部分，而运输包装的发展与产业经 济发展和社会环境的变化有着十分密切的关系包装的第一次变革，发生在1 8 世 纪产业革命之后，由于出现大量生产、大量销售和大量流通，包装才受到人们 的重视，成为商品经济中的一个重要环节【2 】。随着包装操作的机械化和自动化， 引起包装技法的不断革新，包装工业已成为国民经济中的一个重要组成部分【3 】。 运输环节作为包装件流通过程中一个必要的环节，对包装件的安全转送具 有十分重要的意义。近几年来，我国现代交通运输业迅速发展，长途运输工具 ( 如汽车、火车、船舶和飞机) 种类齐全，方便灵活，促使长途运输成为主力， 由此而引发的运输过程中包装件的破损及安全问题备受关注【4 j 。其中，冲击和振 动是包装件在流通过程中所经受的最危险的主要动态载荷，也是造成被包装产 品发生失效和破损的主要外部力学因素。据不完全统计，我国每年因包装不善 所造成的经济损失高达1 4 0 多亿元，因此，包装产品在物流中的安全性是目前 运输包装的重点研究领域之一网。 目前防止包装件遭受外力而产生机械损伤的主要办法是采用缓冲技术来进 行缓冲包装。缓冲包装技术指在运输、装卸过程中，当存在振动、冲击等外力 因素作用时，为了减少外力对包装件产生损坏作用而采取的技术措施。它研究 范围包括研究作用于产品的各种外力特性、缓冲材料的性质以及缓冲包装方法 的使厍j t 6 。但是，现在的缓冲包装没有恰当地同时考虑内装物的特性和运输环境 武汉理一r 大学硕士学位论文 条件来进行设计。在很多情况下，要么缓冲包装不足，要么相反缓冲包装过分。 为了保证产品的安全运输，而且又要有利于缓冲包装的简化，必须谋求一种合 理化的包装。既能有效地利用包装资源，减少包装费用，又能保证产品的安全 运输川。 汽车货物捆绑器( t i ed o w n ) 作为一种新型货物捆绑专用器，捆绑牢固， 大大地提高了运输安全，降低运输成本。利用捆绑器将产品有效的与运载工具 结合在一起，形成货物捆绑包装运输系统，既有利于提高运输安全，又有效利 用包装材料，而且操作方便。因此，对使用了捆绑器的货物捆绑运输包装系统 的研究具有一定的实际意义。 1 2 本论文研究历史与现状 缓冲与防震包装构成的包装动力学在国内外一直受到相关工业和研究者的 高度重视。关于缓冲防震包装理论的研究，1 9 6 8 年n e w t o n 提出了脆值的边界条 件理论之后，美国m t s 公司与密执安州立大学研制出缓冲包装6 步设计法。近十 几年来，各国学者包括我国研究者广泛重视与积极投入，在诸如缓冲包装的c a d 技术、各类线性与非线性系统的冲击与振动响应分析、系统分析设计模型与概 率设计方法等领域，取得了一系列重要成果 8 1 。然而，缓冲防震包装的设计理论与 方法目前还存在大量的问题需要进一步研究与探索，集中体现在：( 1 ) n e w t o n 脆 值评价法是建立在单自由度线性包装系统上的，该方法本身还有待发展，而至今 尚未有更权威的试验理论与方法问世；产品承受振动和随机激励能力的表征还 有待进一步探索。( 2 ) 现有缓冲防震包装的分析计算模型也多简化为单个或2 个 自由度单向模型，而实际产品包装运输多属于多自由度的复杂结构( 如单件包装 产品的多个脆弱元件或多件包装联合体) ，简化模型容易导致较大的分析误差。 ( 3 ) 缓冲包装的研究与设计考虑较多，防震包装的研究相对不足，在评判包装设 计上，除校核共振外，防震包装设计尚缺乏标准。( 4 ) 国内对缓冲防震包装的系统 设计本身关注较多，而从系统的角度进行动力学分析与评价相对欠缺：随机环境 作用下非线性包装系统的分析设计工作尚不多见 9 1 。 包装动力学中的缓冲防震研究的前提一般都基于2 个条件：激励动特性和 动力学模型。而其研究的主要问题在于：一是建模预测被包装产品的响应，进而 进行可靠性评估，二是根据评估结果优化选择包装动力学参到1 0 1 。然而，目前在 2 武汉理j ：大学硕士学位论文 选择和确定包装材料与包装结构的动力学参数方面，尚无统一的标准，基本上是 根据经验，如先假定缓冲防震垫的参数，求解产品包装响应，判断是否符合缓冲 防震要求，这样进行反复设计与测试评估【”】1 1 2 。然而，这种设计方法不仅费时， 而且往往由于缺乏准确参数和定量分析依据，加之实际应用中的非线性等因素， 而容易导致产品的过包装或欠包装设计。 在实际包装工程应用中，产品、包装与运载体一起在多数情况下构成复杂的 系统，既使单件包装产品也常常是由多个零部件组合的复杂结构，它们在运输过 程中受到随机的冲击与振动激励。对于复杂结构系统的随机激励的动力学分析， 目前已有：建立在实验测试基础上的模态分析法、以牛顿力学偏微方程的计算 数学表述为基础的有限元分析方法、建立在工程统计学和模态理论基础上的统 计能量分析法，以及上世纪9 0 年代发展起来的基于频响函数的子结构分析方法 1 3 1 。而将车辆一包装件统一考虑，并进行系统地建模分析的研究在国内不多见。 国内学者吕广庆，王志伟从系统分析的角度建立用于确定“产品一包装一运 载体在系统与部件水平的动态特性的实验技术理论。通过对一个集总参数模 型实例在系统水平的传递函数的计算，验证了所建立理论的有效性。徐伟引1 4 l 等建立了车辆一包装件动力学模型，并对其动力学模型进行路面随机激励下动态 特性的仿真。而将汽车货物捆绑专用工具捆绑器用于包装运输系统这方面的研 究国内至今空白，本论文的工作将为缓冲防震包装系统的结构设计提供一种新 的建模与分析方法。对于货物捆绑包装运输系统的研究除了包装动力学之外， 还有载货汽车平顺性和系统仿真技术的研究。 1 2 1 载货汽车行驶平顺性研究 汽车行驶时，路面的凹凸不平、车速及运动方向的变化、轮胎及传动零件 旋转的不均匀性、发动机工作时转矩的瞬变过程等都将引起汽车的振动。当振 动达到一定的剧烈程度，将使汽车内乘员感到不舒适、疲劳甚至危及人体健康， 对于货车而言，同时还会损坏运载的货物。在同一路面上一相同车速行驶的不 同汽车，由于隔振和减振性能不同，引起的振动剧烈程度会不同。通常把汽车 缓和振动，减少对乘员或运载货物影响的性能以汽车的“行驶平顺性 来描述， 即汽车不因振动而使乘员感到不舒适或货物不因振动而受损的性能称为汽车行 驶平顺性i l 引。 3 武汉理- j ：人学硕士学位论文 载货汽车行驶平顺性的研究可用图1 1 的框图表示。 图1 1 载货汽车平顺性动力学系统 i s o2 6 31 人承受全身振动平顺性的评价指南用加速度的均方根值给出了 振动频率在l 一8 0 h z 范围内人体对振动反应的三个界限：暴露界限、疲劳工效 降低界限和舒适度降低界限。暴露极限通常是作为人体可以承受振动量的上限。 人体在这个振动强度界限之内时就可以保持健康或安全。疲劳工效降低界限用 双对数坐标给出，当驾驶员承受的强度在此界限之内时，还能准确、灵敏地做 出反应，能正常地进行驾驶。舒适降低界限与舒适性有关，在这个界限之内， 人体对振动环境的主观感觉良好，尚能顺利地完成阅读、吃饭、写字等动作。 一般，对车厢内货物完好性的评价并没有一个统一的标准，由主观的和直觉的 判断就可以直接认定。汽车平顺性常用1 3 倍频带和总加权值等方法进行评价。 载货汽车也常用这两种方法i i 酬。 为了研究汽车平顺性必须建立汽车的振动模型，从单自由度到多自由度， 从平面模型到空间模型。实际的汽车是一个无限多自由度弱非线性的复杂振动 系统，要对它进行模拟研究须建立合适的动力学模型和数学模型【1 7 j 。 在应用电子计算机以前常将它简化为具有几个自由度的弹簧质量系统，随 着电子计算机技术的应用推广以及随机振动理论的发展，极大地推动了行驶平 顺性研究工作的发展。平顺性模型已经从单自由度简谐输入分析发展到了多自 由度多输入随机振动分析的水平，并且逐渐由线性模型发展到非线性复合参数 4 武汉理- 人学硕士学位论文 模型。其中比较有代表性的是d j s e g a l s 建立的十五自由度模型【1 引，美国密西根 大学建立的十七自由度模型f 1 9 】，m i c h a e ls a y e r s 建立的十八自由度模型f 2 0 】等。在 我国，1 9 7 8 年武汉工学院提出了九自由度振动模型，并在计算机上模拟四个车 轮上随机输入预测车身上加速度响应【2 1 】。长春汽车研究所与吉林工业大学合作 进行的十自由度模型计算机模拟工作。我国的研究工作者还对十五自由度振动 模型【2 2 1 ，以及考虑侧向振动的十三自由度立体模型【2 3 】等进行了模拟计算，在分 析改善行驶平顺性的途径方面取得了一定的进展。另外在对整车进行振动研究 的同时也对各总成的振动特性及其改进进行了研究，如汽车座椅、动力总成、 悬架轮胎等这些研究工作的开展，并将一些研究成果应用到产品中使汽车的行 驶平顺性获得改善。理论上说，自由度越多模型就越接近实车，但是随着自由 度增多需要确定的参数也相应增多，因而引起的累积误差也会越大，所以选择 模型的自由度应该根据所研究问题的需要出发，本文建立了载货汽车平面五自 由度模型和空间八自由度模型进行计算及仿真的。 1 2 2 系统仿真技术 系统是指具有某种特定功能，按照一定规律结合起来的相互作用又相互联 系的对象的集合。系统通常包括实体、属性和行为三个方面的内容。实体( 也 可以称为对象) 是指组成系统的具体单元；属性则用于描述系统中各个实体的 特性；行为是指实体随着时间变化而发生的状态变化。 系统可分为工程系统和非工程系统。工程系统主要包括电气、机械、通信 等工程应用领域的系统；非工程系统的范围则更加广泛，如社会系统、经济系 统、生态系统、管理系统等。此外，系统根据系统的状态随时间变化情况可以 分为连续系统和离散系统。系统的状态随时间连续变化的系统称为连续系统， 可以用微分方程描述连续系统的属性。系统的状态变化在离散时刻的系统称为 离散系统。离散系统可分为离散时间系统和离散事件系统。离散事件系统的属 性一般用差分方程来描述。离散事件系统是一种随机事件系统，一般很难用数 学模型来描述，它的属性一般采用流程图来描述。 模型是系统的一种抽象描述，是通过反复对系统进行分析研究而得到的系 统的内在联系及其与外界的关系的一种描述。它的理论基础是相似原理。在进 行系统仿真时用到的模型主要是实体模型和数学模型。实体模型是指根据相似 性建立起来的系统的物理模型。数学模型是指对系统抽象、简化，能够准确表 武汉理1 ：大学硕十学位论文 达系统本质的由数学符号表示的一种模型形式。由于实体模型使用起来不经济 而且耗时，数学模型具有形式简单、应用方便、经济，便于使用计算机等优点， 所以在系统仿真中通过模型描述系统时一般都采用数学模型。 系统仿真技术作为一门独立学科，已经具有6 0 多年的发展历史。它的发展 主要分为两个阶段，第一个阶段是计算机出现之前，主要利用物理和数学进行 系统的建模、仿真与分析；第二个阶段是计算机系统仿真阶段。从计算机系统 仿真技术的发展历程来看，它又经历了五个阶段： 2 0 世纪4 0 年代的模拟计算机仿真； 2 0 世纪5 0 年代的数值计算机仿真； 2 0 世纪6 0 年代的仿真语言的出现： 2 0 世纪8 0 年代的面向对象的仿真技术； 2 0 世纪9 0 年代的虚拟现实仿真技术和可视化的建模与仿真。 随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，近2 0 年来，国内外出现了许多专 门用于计算机仿真的语言及软件工具，如c s m p 、a c s l 、s i m n o n 、 m a t l a b s i m u l i n k 、c s m pc 等，m a t l 蛆s m ，肿( 的出现，不仅使数值 分析与应用进入了一个崭新的阶段，而且也为系统仿真技术提供了更实用、更 方便的解决办法【2 4 】。 1 3 本文的主要工作 1 、收集国内有关重型载货汽车的资料，根据浙江双友公司生产的汽车货物 捆绑器用于汽车运输的具体情况，选择东风公司生产的东风e q l1 5 6 w 3 系列载 货汽车作为本课题使用的载货汽车，捆绑器为浙江双友机电集团股份有限公司 生产的b 5 0 型捆绑器。 2 、通过学习国内外关于路面随机激励、汽车动力学、包装动力学方面的文 献资料，求出了路面对四轮汽车输入的功率谱矩阵和时域模型。再从系统工程 的角度出发，建立使用了捆绑器的货物捆绑包装运输系统( 重型载货汽车一包装 件一捆绑器) 的平面五自由度和空间八自由度动力学模型及包装件二自由度动力 学模型。 3 、利用仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 对整个系统进行时域仿真研究，得到一 些重要参数的响应曲线，比较结果，证明模型的正确和捆绑带的使用的合理性。 6 武汉理t 大学硕七学位论文 为捆绑器运用于货物捆绑包装运输系统的研究提供理论参考。 4 、进行捆绑带刚度、阻尼参数变化引起的货物位移、加速度的对比仿真研 究，通过五组不同参数的仿真结果，更进一步说明捆绑带的使用的合理性，且 为不同货物选取相应刚度、阻尼的捆绑器提供参考。 7 武汉理r 丁大学硕| = 学位论文 第2 章汽车货物捆绑工具 汽车货物捆绑工具包括捆绑器系列，绞车系列，吊装带系列，撑货架系列， 拉紧器系列等等。它的主要特点是安全可靠，省时省力。汽车货物捆绑工具在 国外，特别是西方欧美地区，广泛应用于汽车、船舶运输，拥有广阔的市场； 而在我国国内，常规的汽车货物捆绑方法仍是网罩、绳索人工拉紧法，汽车货 物捆绑工具处于萌发和初步认识阶段，具有广阔的发展空间。汽车货物捆绑工 具包括： 捆绑器系列 绞车系列 吊装带系列 撑货架系列 拉紧器系列 根据浙江双友公司生产的汽车货物捆绑器用于汽车运输的具体情况，本文 选用浙江双友公司的b 5 0 型汽车捆绑器为研究对象。 2 1 捆绑器概述 捆绑器【2 5 】【2 6 】【2 7 】【2 8 】【2 9 】( t i ed o w n ) 作为一种新型货物捆绑专用器。它是由 人造织带单独组成，或由人造织带和五金配件组成，其目的是保证货物安全。 由于其体积小，重量轻，而且只需一人操作就可很快完成捆绑作业，紧绳拉力 大于等于8 0 0 公斤以上，可超过1 0 人的捆绑力度，正逐步取代目前的绳索、网 罩落后的捆绑方式，已经成为当今货物捆绑包装运输系统技术发展的热点之一。 捆绑器以方便、省力、安全的特点受到广大用户的青睐，特别是在高速行 驶中能大大提高汽车及货物的安全系数。如图2 - i 所示为汽车捆绑器的机械结 构图。 8 武汉理1 二大学硕士学位论文 0 1 梅花把手0 2 左侧片0 3 螺栓0 4 侧轴0 5 挡板0 6 横销0 7 半月键0 8 齿轮左片0 9 扭簧 1 0 弹簧l l 拉手1 2 螺母1 3 本体1 4 套管1 5 右侧片1 6 齿轮右片 图2 1 汽车捆绑器的机械结构图 其工作原理是：通过利用棘轮机构单向间歇运动特点，左手握住拉手1 1 ， 右手上下压动梅花把手0 1 ，使具有棘轮功能的半月键0 7 进齿，固定捆绑带，达 到自锁目的。既可保证捆绑力度，又防止捆绑带滑动造成货物倾倒引起的人员 损伤事故的发生。 9 武汉理e 大学硕士学位论文 汽车捆绑器广泛应用于汽车和船舶运输应用如图2 2 所示。 2 2 捆绑器优点 图2 - 2 汽车捆绑器的使用图 与其它捆绑方式相比，汽车捆绑工具的优点有一下四点： 1 快捷方便 装载、卸载方便，一人即可实现捆绑，改善了传统捆绑需要多人的局面。 2 安全可靠 一般汽车货物捆绑工具，以捆绑器为例，宽5 0 m m , 长8 m 的t d 5 0 b 捆绑器， 其破断拉力为4 0 0 0 公斤，超过传统车辆捆绑力量的十倍且捆绑器包含一棘轮 机构，用于加紧织带保证捆绑牢固，能有效防止倒带或货物散落发生。所有捆 绑嚣均按照w s t d a 标准严格制作，经f e d 联邦测试方法标准第1 9 1 a 号，方 法4 1 0 8 测试，i s 0 9 0 0 1 认证，质量可靠。 破断强度人造织带捆绑器破断时以磅或公斤为单位的最小拉力。 双友集团捆绑器目前有带宽2 5 r a m - 1 0 0 r a m ，破断强度5 0 0 k g s 一1 0 0 0 0 k g s 的 武汉理工大学硕十学位论文 产品近百种。 3 省力 只需轻轻对手拉器的手柄施力，既能加紧织带。改善传统的捆绑由人直接 拉紧的方式，省力效果好。以捆绑器为例，宽5 0 n u n ，长8 m 的t d 5 0 b 捆绑器为 例，其拉紧力为2 0 0 0 公斤。 4 节约运输成本 人造织带捆绑器的数目计算： 美国运输部规定的关于b 类汽车运输安全条例，4 9 c f r ，3 9 3 部分，第3 9 3 。 1 0 2 ( b ) 规定：保证物件不向任何方向移动的人造织带捆绑器的平均工作负载 极限至少是物件重量的1 2 。则由此可知需要的捆绑器的数目计算公式为： 捆绑器的数目= 虿濡溺毒镊篓差 举例说明： 如保证物件安全的重量为2 4 ，0 0 0 磅( 1 0 ，9 1 0 千克) 3 英寸人造织带捆 绑器的工作负载极限是4 ，0 0 0 磅( 1 ，8 1 0 千克) ( 工作载荷极限靠0 造商提 供的人造织带捆绑器允许最大的负载极限，不能超过总破断强度的三分之一。) 如运输安全条例，所需要的总工作负载极限是： i 2 x 2 4 ，0 0 0 磅( 物件重量) = 1 2 ，0 0 0 磅( 5 ，4 5 5 千克) 根据上式则需要的捆绑器的数目为： 1 2 0 0 0 磅( 1 1 2 物件质量) 4 0 0 0 磅( 织带捆绑器的工作负载极限) 。 3 英寸宽5 0 m m ，长8 m 的t d 5 0 b 捆绑器的价格一般在6 0 元7 0 元左右， 保证物件安全的重量为2 4 ，0 0 0 磅( 1 0 ，9 1 0 千克) 时， 只需：3 6 0 元3 7 0 元- - 2 1 0 元 2 4 0 元 所以汽车捆绑工具的使用是正确合理的，研究使用了汽车捆绑器的运输方 式具有巨大意义的。 2 3 本章小结 本章详细阐述了汽车货物捆绑器的种类，重点介绍了捆绑器的机械结构， 武汉理：r 大学硕士学位论文 使用及与其它货物捆绑方式相比所具备的优点，并举例说明。而且根据浙江双 友公司生产的汽车货物捆绑器用于汽车运输的具体情况，本文选用浙江双友公 司的b s o 型汽车捆绑器为研究对象。 1 2 武汉理：r 大学硕七学位论文 第3 章路面不平度 汽车运行时，不平路面度激励使其产生振动，按汽车不同简化模型的需要， 将激励分为单点、单轮辙及双轮辙激励 3 0 】。按路面不平度类型将激励分为随机 激励及离散事件激励( d i s c r e t ee v e n tr o a dd i s t u r b a n c e s ) 3 1 】。随机激励是由一般路 面的随机不平产生的，离散事件激励是由圆形凸起、弓形凸起及波形路面等离 散事件引起的也可称为脉冲激励。 脉冲激励既可以表示成空间坐标下的确定函数，也可以表示成时间与汽车 行驶速度的定量函数，而随机路面一般用其统计特性来表示。国际标准 i s 叩c 1 0 8 s c 2 n 6 7 中提出的“车辆振动输入一路面平度表示方法和国标“车 辆振动输入一路面平度表示方法 采用按幂函数构造的功率谱来描述表示随机 路面【3 2 1 。在中国，该类谱已广泛用于汽车动力学系统的频域分析与设计之中【3 3 1 。 但是在进行平顺性预测、基于虚拟样机技术的仿真以及汽车系统得非线性分析 和非线性微分方程求解等问题时，频域模型就受到很大的限制，路面输入的时 域模型则提供了很好的解决方法。目前我国对时域内的路面特性研究还不多。 长春汽车研究所曾经利用随机数发生器生成伪白噪声时间序列函数，然后转换 成路面时间序列函数，但是又把路面时间序列函数转换成路面空间序列函数， 再作傅立叶变换得到路面功率谱，其最终还是在频率域内进行研究。已有论文 给出了路面对两轮输入的时域模型和路面对四轮输入的时域模型3 4 】。本章给出 了路面随机激励的频域模型和时域模型。 3 1 路面不平度的频域模型 一般性路面的激励为一随机过程，对其进行统计学意义上的描述常用的统 计量是功率谱密度( p o w e r - s p e c t r a l d e n s i t y ) 和相干函数，因此功率谱密度和相 干函数即为路面不平度的频域描述模型【3 5 1 。 3 1 1 路面不平度的功率谱 路面不平度是汽车振动最基本的输入，是一个随机过程，可用功率谱密度 描述其统计特性。通常把路面相对于基准平度的高度q ，沿道路走向长度i 的变 武汉理工大学硕士学位论文 化q ( i ) ，称为路面不平度函数，如图3 - 1 所示。 矿1 7。 。h l q q ( i ) ； - 、一in ，_ a 八 饥，、卜j 。丫u 卜，、 o基准平面 图3 1 路面纵断面曲线 在测量不平度时，可用水准仪或专门的路面计来得到路面纵段面上的不平 度值。测量得到的大量路面不平度随机数据，通常在计算机上进行处理得到路 面不平度的功率谱g 。( 疗) 或方差仃。2 等统计特性参数。作为车辆振动输入的路面 不平度，主要用路面功率谱密度描述其统计特性。这反映在1 9 8 4 年国际标准 i s o t c l 0 8 s c n 6 7 中提出的“路面不平度表示方法草案和国内g b 7 0 3 1 车辆 振动输入路面不平度表示标准之中，两文件均建议路面功率谱密度瓯( 行) 用下式作为拟合表达式【3 6 j ， 、一 q ( 刀) = g g ( 疗。) l 三i ( 3 - 1 ) 式中，1 1 是空间频率( 朋- 1 ) ；力。为参考空间频率，刀o = o 1 m 一；g q ( 甩o ) 为空 间参考频率下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为m 3 ；w 为 频率指数，一般w = 2 。 在国标g b 7 0 3 1 中的规定，按照w = 2 时功率谱密度瓯( 刀) 把路面分为八级， 并规定了每级路面下的不平度系数g 。( 力。) 的取值范围和几何平均值，如表3 一l 所示。 1 4 武汉理丁大学硕士学位论文 表3 1 路面不平度的8 级分类标准 g q ( n 。) ( 1 0 6 聊)仃口( 1 0 一所) 路面 ( 刀o = o 1 m 一1 )( o 0 1 1 聊一1 刀 甩。 l 刀i2n c 刀i 刀c 刀，一空间截断频率，一般指路面谱频率范围的下限值，通常取 0 0 1 m 一。 ( 2 ) 积分方法 武汉理r 大学硕士学位论文 当频率指数w = 2 时，将式( 3 1 ) 代入式( 3 5 ) 得速度功率谱： g 口( 刀) = ( 2 n n o ) 2 g g ( 胛o ) ( 3 1 9 ) 可见，路面速度功率谱幅值在整个频率范围为一常数，即为一白噪声。则 对白噪声进行积分即可得到路面不平度的时域模型： 口( r ) = c o ( t ) ( 3 2 0 ) 式中：缈( f ) 一零均值白噪声过程，满足 e c o ( t ) * c o r ( r ) 】= c o 万( t f ) ，= g 。( 胛o ) n ；“ e c o ( t ) = 0 】，e c o ( t ) 缈1 ( f ) 】5 h 谚o r ) ，w = g 。( ”o ) 木，? j 木u ： 研】一数学期望； 、胪一零均值白噪声过程的方差； 万o f ) 艿函数，万。一f ) = f 1，= f t 。 l r 速度 同样，对于滤波白噪声路面不平度时域模型为： 口( ，) = - a u q ( t ) + c o ( t ) ( 3 - 2 1 ) 白噪声是一种理想化的概念化噪声，是指功率谱密度在整个频域内均匀分 布的噪声，是带宽无限的功率谱密度为常量的随机过程。白噪声滤波法的基本 思想是：将路面不平度的随机过程抽象为满足一定条件的白噪声，然后经某一 假定系统进行适当变换而拟合出路面随机不平度的时域模型。不同形式的功率 谱密度函数需要设计相应的滤波器，对于有理函数形式的路面不平度功率谱密 度函数，本文用式3 2 1 滤波方程作为随机过程的时域数学模型【4 0 1 。 2 离散时间随机序列生成法 根据p a r k h i l o v s k i i 提出的另一种相似的有理函数形式的路面谱密度表达式： g 。( 力) = 而2 a ! p 2 ( 3 - 2 2 ) 式中1 2 、p 是与路面等级有关的常数，1 1 是空间频率。 建立道路不平度时间离散化模拟的递推公式【4 1 】 2 l 武汉理1 ：大学硕十学位论文 q o = f o q f = e - 曲g j l + f 1 4 1 一p 一2 曲劬 ( 3 2 3 ) 式中：f 一采样时间问隔； ，一相互独立的服从n ( o ，1 ) 正态分布的随机数； 、g 。一人工生成的伪随机序列初值和模拟的路面高程序列初值。 模拟的基本过程为：首先在计算机上利用余数法生成( 0 ，1 ) 区间上均匀 分布的伪随机数函， ；再用所得伪随机数函，) ，根据中心极限定理，产生近似服 从n ( o ，1 ) 分布的伪随机数勋， ；最后，取定样间隔，按模拟递推式( 上式) 产生随机路面高程时间模拟系列 g ， 。 3 谐波叠加法 谐波叠加法( 即三角级数合成法) ，该方法的基本思想是将路面不平度 表示为大量具有随机相位的正弦或余弦之和。谐波叠加法采用以离散谱逼近目 标随机过程的模型，是另一种离散化数值模拟路面的方法。这种方法最早由 r i c e 4 2 1 提出，而用于模拟随机过程则是s h i n o z u k a 4 3 1 在2 0 世纪7 0 年代提出的。 一种常用的三角级数合成模型为： x ( f ) = a tc o s ( q f + 九) ( 3 2 4 ) k = l 式中：n 为正整数，以为【o ，2 万】中均匀分布的独立随机相位角。并且级数中 各项的角频率为： q = q + ( 七一0 5 ) a a ， ( 3 2 5 ) 其中，频率间隔a c o = ( c o 。- - c o ，) ；h ，q 】是模拟功率谱曲( 缈) 的频率范围。 a i = 4 2 s j ( c o ) a c o ( 3 - 2 6 ) 应用中心极限定理可证明，在专0 0 时，式= q + ( k - 0 5 ) a o p 接近于高 斯平稳随机过程，并且为各态历经的，它的相关函数与谱密度分别逼近目标相 关函数与谱密度。 3 2 2 路面对四轮汽车输入的时域模型 当建立的汽车振动模型是整车振动模型时，考虑的路面输入就应该是4 个 武汉理l ：人学硕十学位论文 车轮的路面输入，即左前轮、左后轮、右前轮、右后轮所对应的路面输入。参 考文献【3 4 1 ，通过求解左、右轮之间的相关性以及前、后轮之间的相关性来导出 四轮路面输入的时域模型，最终得到的四轮路面输入的时域模型为： z o ( f ) = f w z o o ) + b o 。，7 ，+ b o 形( f ) 唬( ，) = a 。r l 。( ，) + 岛彤( t ) 式中： ( 3 - 2 7 ) z o = z o 。z z 0 ，z 舛 r ，分别代表左前、右前、左后、右后轮的路面输 入： r ，= 仇l 仇2r l 3r ，4 r 为状态转移向量； 彳呀= 瓮。： 么。户h 蛇 岛= 隆 - b l 爿广l i i 1 r1 i i b d - - ib 2i l oj 武汉理工人学硕七学位论文 c 。2 l 。一口：害口。一口：善 一口2 b 2 2i = 阴 1 2 f ； 0 a o = 3 1 8 1 5a 1 2 0 2 0 6 3a 2 = 0 0 1 0 8 a 3 2 0 b o = 3 2 2 3b 1 2 0 5 9 0 06 2 = 0 0 3 2 7如2 0 l 为轴距，u 为车速。 3 3 本章小结 路面作为汽车输入的主要振源，直接影响汽车的平顺性、燃油经济性、行 驶安全性和操纵稳定性。路面不平度根据类型可将激励分为随机激励和离散事 1j 一也 一 0 肌 办 办 i j o 0 2 一 一 一 奔 办 办 三一 = d ， 武汉理1 ：大学硕七学位论文 件激励，按照表示方法可分为频域和时域模型。 ( 1 ) 路面不平度的频域模型 参考国际标准i s o 厂r c l 0 8 s c 2 n 6 7 中提出的“路面不平度表示方法”和国标 “车辆振动输入一路面平度表示方法”都采用按幂函数构造的功率谱来描述表 示随机路面对于路面不平度的频域模型，本文给出了路面不平度的功率谱和路 面对四轮汽车输入的功率谱密度矩阵。 ( 2 ) 路面不平度的时域模型 随着汽车非线性特性的深入研究以及整车平顺性试验和振动规律研究等方 面的设计要求，必须对系统进行时程分析，路面随机激励频域模型已不能满足 研究需要，这就要求建立路面