双筒式油气弹簧刚度特性解析计算与仿真分析.pdf

双筒式油气弹簧刚度特性解析计算与仿真分析 木 口李春明 口陈轶杰 口雷强顺 口邵春明 1 ． 北京理 工大 学 机械 与车辆工程学 院北京1 0 0 0 8 1 2 ． 中国北方车辆研究所底盘部件技术部北京1 0 0 0 7 2 摘 要 提 出了油气弹簧刚度特性解析计算的一种研 究方法。给 出双筒式油气弹簧的结构简图， 针对其结构特点， 运用 范德瓦 尔实际气体状 态方程推导弹簧的气室压力 ， 同时创建 了计算密闭容器 内气体质 量的求解 方程 式， 并开展 垂直刚度 的 解析计 算， 揭 示了气体弹簧刚度非线性的特点。对试制样件进行弹性特性试验 ， 与系统弹性力方程解析解对比验证 了研 究方 法的正确性 ． 同时开展 了相 关参数对油气弹簧刚度特性影响规律的研 究， 所得结论为气体弹簧的设计提供 了参考。 关键词 油气 弹簧弹性 力 刚度特性双筒 中图分类号 T H 7 0 3 ． 6 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 1 0 9 0 0 2 8 0 3 由 于 油 气 弹 簧 具 有 典 型 的 非 线 性 弹 性 特 性 ，能 够 最 大 限 度 地 满 足 工 程 车 辆 的 行 驶 要 求 ． 已 成 为 人 们 研 究 的 热 点 课 题 。 现 有 技 术 中 ， 国 内 学 者 普 遍 使 用 绝 热 状 态 下 的理 想 气 体 状 态 方 程 对 刚 度 变 化 开 展 分 析 ，但 绝 热 指 数 与 温 度 等 诸 多 客 观 因 素 有 关 。为 便 于 分 析 ， 人 们 通 常 取 其 中 的某 一 平 均 值 ， 容 易 造 成 较 大 误 差 ． 后 来 有 人 参 照 国 外 研 究 成 果 使 用 8个 常 数 的 B WR 实 际 气 体 状 态 方 程 对 弹 性 力 值 进 行 推 算 ， 由 于 参 数 过 多 且 方 程 形 式 复 杂 ， 也 不 利 于 工 程 应 用 。 针 对 这 种 情 况 ， 本 文 通 过 范 德 瓦 尔 实 际 气 体 状 态 方 程 对 油 气 弹 簧 的 刚 度 特 性 进 行 了 推 导 和 系 统 研 究 。 1 油气弹簧结构 图1为 双 筒 式 油 气 弹 簧 结 构 简 图 ， 浮 动 活 塞 将 蓄 能 器 分 为 两 个 腔 室 ， 其 中 气 室 充 满 高 压 惰 性 气 体 作 为 弹 性 元 件 。油 室 中 的 油 液 属 于 传 力 介 质 ， 通 过 阀 系 节 流 消 耗 来 自 地 面 的 振 动 能 量 。 2 油气弹 簧刚度特性解析计 算 2 ． 1 油 气 弹 簧 气 室压 力 推 导 首 先 分 析 油 气 弹 簧 在 低 速 运 动 状 态 下 的 受 力 情 况 ， 此 时 阻 尼 力 可 忽 略 ， 系 统 输 出 以 弹 性 力 为 主 ， 油 气 弹 簧 活 塞 所 受 弹 性 力 为 F p A。 p Dr 2 1 国家部委 预研 项 目 编号 5 1 4 0 4 0 0 0 1 0 4 B Q 0 1 收稿 日期 2 0 1 1 年 3月 回 2 0 1 1 ／ 9 式 中 P为 油 室 压 强 ； A。 为 活 塞 面 积 ； D 为 活 塞 直 径 。 由 于 车 辆 处 于 静 平 衡 状 态 时 弹 簧 内 各 腔 室 压 力 相 等 ， 可 整 理 得 出 油 气 弹 簧 腔 室 压 力 为 j De 2 m j 2 式 中 Pj 为 油 室 静 平 衡 位 置 压 强 ； md 为 簧 上 质 量 ； g为 重 力 加 速 度 ； i 为 杠 杆 比 。 静 平 衡 位 置 处 油 气 弹 簧 气 室 体 积 为 ； A正q 0 j 3 式 中 A 为 蓄 能 器 面 积 ； q 0 为 初 始 气 室 高 度 ； j 为 油 气 弹 簧 静 行 程 。 运 用 范 德 瓦 尔 实 际 气 体 状 态 方 程 推 导 相 关 参 数 p 一 c 4， 式 中 P 为 气 体 绝 对 压 力 ； T为 热 力 学 温 度 ； V 。为 气 体 体 积 ； 为 气 体 常 数 ； 0 、 6为 范 德 瓦 尔 常 数 ； m 为 气 体 质 量 。 联 立 式 3 、 4 推 导 惰 性 气 体 质 量 m [ D - 0 ．6 7 】 5 式 中 [ C 2 0 ．7 8 b a 1／ ＼ J j C - 3 6 b Rg T o 7 2 p i b 2 8 a M R T o 2 4 b R g T o l z P j 6 2 _ a N 4 p j 3 p J b 3 Rg T o - 5 a b Rg 7 10 6 j 2 0 6 j 则 静 平 衡 位 置 气 室 高 度 为 L ／ A 6 蓄 能 器 横 截 面 积 为 A x T r Dx 2 ／ 4 7 I 代 入 式 4 即 可 求 解 任 意 温 度 和 体 积 下 的 气 体 压 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 力 值 。 2 ． 2 油 气 弹 簧 垂 直 刚 度 计 算 主 油 腔 容 积 变 化 为 A 得 等 式 中 s为 油 气 弹 簧 行 程 ； s 为 蓄 能 器 行 程 。 蓄 能 器 气 室 高 度 变 化 为 Ls L 一 气 室 体 积 变 化 为 V q A xL s A L 自 一 ‘ 则 油 气 弹 簧 气 体 压 力 P为 p R箸 gT m q。 ～ 弹 性 力 为 A d 等 gT m q A 日一 一 m q 6 8 9 1 0 1 1 箸 ] 一生 _丁 1 2 等 ] 则 油 气 弹 簧 刚 度 为 _d ∞ F A c R 【a x - m q6 ] 一 ～ r 1 3 3试验验证 与仿 真结果 3 ． 1 参 数 设 定 油 气 弹 簧 相 关 参 数 取 值 如 下 动 力 缸 内 径 D 7 0 mi l l ，蓄 能 器 内 径 D 7 0 mm，初 始 气 室 高 度 L a o 1 9 2 mm ， 预 充 气 压 力 P 0 3 MP a ， 簧 上 质 量 m 2 7 5 0 k g， 气 表 1 弹性力关键点力值对比 名称 R 试验数据／ l 【 N 7 8 ． o o 1 5 ．7 4 2 9 ． 8 4 仿真数据／ k N 7 5 ． 5 O 1 6 ．2 1 2 9 ．O 6 数据偏差／ ％ 3 ． 2 1 2 ． 9 0 2 ．6 1 表中 为最大弹性力值； 为最小弹性力值； 为零点位移处弹性力值。 体 常 数 a 4 5 6 ． 3 7 m6 p a ／ k g ， b O ． 0 0 3 6 1 m ／ k g， Rs 2 9 6 ． 7 7 J ／ k g K ， i 0 ． 7， 热 力 学 温 度 7 -- 2 9 3 K。 3 ． 2试 验 验 证 和 仿 真 通 过 静 态 试 验 测 定 油 气 弹 簧 弹 性 力 随 位 移 的 变 化 趋 势 。取 频 率 A o ． 0 2 Hz ， 振 幅 A 0 ． 0 7 m 的 正 弦 激 励 ， 试 验 照 片 如 图 2所 示 。 为 方 便 与 仿 真 结 果 对 比 ． 通 过 插 值 处 理 数 据 并 取 复 原 和 压 缩 行 程 的 平 均 值 以 剔 除 摩 擦 力 ， 如 图 3及 表 1所 示 ， 可 以 看 出 运 用 范 德 瓦 尔 实 际 气 体 状 态 方 程 推 导 的 油 气 弹 簧 弹 性 力 与 实 际 力 值 吻 合 很 好 ， 并 随 位 移 呈 现 出 明 显 的 非 线 性 特 性 ， 为 油 气 弹 簧 的 气 室 设 计 提 供 了 参 考 。 图 4 ～ 7为 仿 真 结 果 。 4结 论 由 仿 真 结 果 可 以 看 出 ， 随 着 簧 载 质 量 、 动 力 缸 内 径 的 增 大 以 及 静 平 衡 气 室 高 度 和 蓄 能 器 内径 的 减 小 油 气 弹 簧 刚 度 呈 现 出 不 同 程 度 的 增 长 趋 势 ，尤 其 当 位 移 增 加 时 ，弹 簧 刚 度 显 著 升 高 。体 现 出 气 体 大 储 能 比 的 特 点 ， 当 悬 挂 动 行 程 较 大 时 能 够 充 分 吸 收 来 自外 界 的 冲 击 能 量 ， 以 确 保 车 辆 的 行 驶 稳 定 性 。 参 考 文 献 [ 1 ] 陈轶杰 ， 顾亮 ， 管继富． 油气弹簧缝 隙节 流与数学模型研究 [ J ] ． 北京理工大学学报， 2 0 0 8 5 3 8 8 3 9 1 ． 昌 置 Z 淑 融 热 ▲图 2弹性力 台架试验 位移 s ／ mm ▲图 5 不 同动力 缸内径 的仿真曲线 Z 毒 融 位移 s ] m m ▲图 3 仿真与试验弹性力对 比 l 壶 兰 嫩 惫 题 位移 s [ mm ▲图 6 不 同静平衡气室高度 的仿真 曲线 g 鲁 Z 窿 粥 最 曩 位移 s ] mm ▲图 4 不 同簧载质量 的仿真 曲线 位移 s ／ ra m ▲图 7 不 同蓄能器 内径 的仿真 瞌线 机械制造 4 9 卷 第 5 6 5 期 2 0 1 1 ／ 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油钻 杆 移 运 系统 中钻 杆 运 移 小车 的设 计 口余焱群 口牛文杰 口闰成新 中国石油大学 华东 机电工程学院山东东 营2 5 7 0 6 1 摘要 针对石 油钻杆移运 系统 的工作状况 ， 设计 了水平移 运机 构 中的关键部件钻杆运移 小车。介 绍 了小车的结构 和工作原理 ， 并对小车关键零部件进行 了静 力学分析和计 算， 校核 了强度 。 校核结果表 明， 钻杆运移 小车结构设计合理 ， 关 键零部件 完全满足石油机械 高强度的设计要求。 关键词 钻杆移运移运小车结构设计 中图分类号 T H1 2 3 ； T E 9 3 4 ． 2 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 1 0 9 0 0 3 0 0 3 在 石 油 钻 井 过 程 中 ， 钻 杆 需 要 从 堆 移 运 到 钻 井 平 台 。 目前 移 运 主 要 以 人 工 操 作 为 主 ， 生 产 效 率 低 ， 工 人 劳 动 强 度 大 『 1-- 2 ] 。本 课 题 组 设 计 了 一 种 石 油 钻 杆 移 运 装 置 ， 依 据 行 程 开 关 定 位 。 通 过 一 系 列 的 液 压 动 作 ， 可 实 现 钻 杆 上 下 钻 井 平 台 、 移 运 钻 杆 堆 场 过 程 自动 化 ， 极 大 地 减 轻 了 井 场 工 人 劳 动 强 度 ， 提 高 了 生 产 效 率 。 使 用 该 钻 杆 自动 移 运 系 统 ， 可 以 使 总 钻 井 时 间 减 少 2 5 ％ ， 钻 井 成 本 减 少3 0 ％【 3 】 。 在 钻 杆 移 运 系 统 设 计 过 程 中 ， 钻 杆 从 堆 场 移 近 钻 井 平 台 是 后 续 钻 杆 移 运 的 基 础 ．在 此 过 程 中 钻 杆 运 移 小 车 是 关 键 部 件 。 本 文 基 于 力 学 分 析 对 钻 杆 运 移 小 车 的 关 键 零 部 件 进 行 了 结 构 设 计 、 计 算 和 强 度 校 核 。 1 整体结构 钻 杆 堆 场 距 离 钻 井 平 台 约 2 0 m ， 上 钻 杆 时 首 先 需 要 将 钻 杆 移 近 钻 井 平 台 ，卸 钻 杆 时 需 要 将 钻 杆 移 离 钻 收稿 日期 2 0 1 1 年 3月 井 平 台 ， 此 过 程 由 钻 杆 运 移 小 车 来 实 现 。 钻 杆 运 移 小 乍 在 水 平 架 轨 道 上 往 复 运 行 ， 小 车 动 力 由 液 压 绞 车 提 供 ， 换 向 由 行 程 开 关 控 制 ， 整 个 过 程 实 现 自动 化 ， 小 车 工 作 示 意 如 图 1所 示 。 钻 杆 运 移 小 车 主 要 由 小 车 主 体 部 件 、 翻 转 部 件 、 扭 簧 、 扭 簧轴 、 小 车 轴 、 小 车轮 子 等组 成 ， 具 体 结构 如 图 2 所 示 。 2主要零部件设计计算 2 ． 1 小 车 轴 设 计 计 算 2 ． 1 ． 1 小 车 轴 结 构 及 受 力 小 车 轴 由轴 颈 压 盖 安 装 在 小 车 主 体 部 件 上 ，通 过 轴 承 与 小 车 轮 子 相 连 。 具 体 安 装 结 构 如 图 3所 示 。 [ 2 ] 陈轶杰 ， 顾 亮 ， 杨 占华 ， 等． 减振器 节流 阀片大挠 曲变形解 析计算 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 8 1 0 9 0 9 2 ． f 3 1 P S E l s ，B Gr o b b e l a a r Hr e t ．T r a n s f e r E f f e c t s o n Hy d r o p n ． e u m a t i c S u s p e n s i o n S y s t e m [ J ] ． J o u rna l o f T e r r a me c h a n i c s ， 1 9 9 9 1 0 1 9 7 - 2 0 5 ． [ 4 ] L i p i n s k i ， W． T r a n s i e n t R a d i a t i v e H e a t T r a n s f e r w i t h i n a S u s p 一 2 0 1 1 ／ 9 e n s i o n o f C o a l P a r t i c l e s U n d e r g o i n g S t e a m G a s i fi c a t i o n [ J ] ． H e a t a n d Ma s s T r a n s f e r ， 2 0 0 5 9 1 2 1 - 3 2 ． [ 5 ] 庄德军， 柳江， 喻凡， 等． 汽车油气弹簧非线性数学模型及特 性 [ J ] ． 上海交通大学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 9 1 1 4 4 1 1 4 4 4 ． 、 编 辑 丁 罡 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m