基于振动能量耗散的间隔阻尼层式支重轮缓冲特性分析

    大型履带式工程车辆多在“非路面”上行驶作业，凹凸不平的地面对其行走系振动冲击十分剧烈． 传统履带式工程车辆行走系多采用刚性支重轮作为支撑与行走机构，作业行驶时支重轮会受到剧烈的振动与冲击． 因此，如何解决大型履带式工程车辆行走机构所受剧烈的振动冲击，已成为其研发亟待解决的一个新问题［1］．

    早期的履带式工程车辆的支重轮采用刚性结构，几乎无减振作用，而且工程车辆作业工况恶劣，泥沙对支重轮磨损严重． 从 1960 年开始，法国、德国、美国、前苏联和日本等国已将自由阻尼结构的弹性车轮应用到城市轻轨、地铁、电力机车和高速列车上［2-3］构车轮可降低行驶噪声，提高车辆行驶的平顺性和行驶速度［4］，但与轨道车辆相比，由于工程车辆作业环境恶劣，在地面反力、履带张力和地面砂石摩擦力共同作用下，该弹性车轮易出现疲劳破坏和热软化． 1980 年后，约束阻尼结构的支重轮开始应用于某些特种履带车辆上［5-6］，该结构可提高支重轮刚度，并减小路面对支重轮和履带的冲击，提高支重轮的工作寿命． 然而该结构为整体式阻尼层结构，其振动能量耗散量有限，其减振缓冲效果也不太理想．

    把整体式阻尼层结构按一定规则进行间隔处理，得到间隔阻尼层结构［7-8］( 见图 1a) ，该结构具有较高的耐磨性和振动能量耗散量［9-10］． 此文针对间隔阻尼层结构支重轮，基于振动能耗散量，对其缓冲特性进行分析．

    1 间隔阻尼层耗散能计算

    1． 1 材料耗散能

    间隔阻尼层式支重轮是由轮体、间隔阻尼层和约束层构成的组合结构． 其间隔阻尼层多采用硫化天然橡胶材料制成，可认为该材料具有各向同性、不可压缩的性质，从描述其应变能函数出发，考虑到粘弹性材料受力所产生的较大变形，可能会出现的较大误差问题［11］，在此以 Mooney-Rivlin 模型［12］，并结合罚有限元法对应变能函数进行修正，则可较好地解决此问题［13］．

    对应变能函数引入罚函数［14-17］，则

W = C1( I1－ 3) + C2( I2－ 3) + H( I3) ( 1)

    式中，C1、C2为待定 Mooney-Rivlin 常数; H( I3) 为罚函数，其表达式为 H( I3) =12α( I3－1)2; α 为罚因子; I1、I2、I3为变形张量的第一、第二、第三不变量; I1、I2为 I1按照体积变形和形状变形进行分解，即: I1= I1I3－ 1 /3，I2= I2I3－ 2 /3．

    根据粘弹性材料的动态特性，在载荷的作用下，橡胶的应变却滞后于应力相位角 α，则橡胶阻尼材料的损耗因子为