井下胶轮车油气悬架系统改进设计与分析.pdf

工作原理进行分析， 指出其中的问题 ， 提出改进方 案 ， 并验证 了新方案的减振效果 。 1 某井下胶轮车油气悬架系统存在的问题 图 1为某型井下胶轮 车油气悬架液压 系统原 理简 图， 主要 由主蓄能器 、 截止阀、 蓄能器及悬架液 压缸组成 。左 、 右悬架采用并联结构 ， 相互独立 ， 互 不影响 ，悬架液压缸无杆腔通过油管与蓄能器相 连 ， 有杆腔通过通气塞与大气相通。截止 阀的作用 是控制主蓄能器 向悬架液压缸无杆腔 内充 、放油 液 ， 调节悬架 液压缸 的连接 长度 ， 从 而改变整 车的 高度 ， 提高车辆通过性 。悬架液压缸一端与簧载质 量铰接 ， 另一 端与非簧载质量铰接 ， 在车辆受 到不 平路面激励 时，悬架液压缸不停地做伸缩运动 ， 液 压缸 内部的油液受到挤压 ， 循环运动于蓄能器与悬 架液压缸无杆腔之间。当悬架液压缸受压缩时， 无 杆腔油液进入蓄能器 ， 压缩其 中的氮气 ， 对冲击起 到缓冲作用 ； 当悬架液压缸受拉伸时， 蓄能器中的 油液流 回无杆腔 ， 依靠管路的阻尼作用来 阻止液压 缸拉伸。但是， 管路的阻尼力毕竟有限， 无法有效抑 制液压缸的拉伸运动，对整车的减振效果不太明 显。可见， 该油气悬架系统仅仅利用了氮气的弹性 作用， 而缺乏减振元件， 无法发挥减振功能， 因此， 在实际使用过程中， 悬架的总体减振性能不理想。 作者简介 刘杰 1 9 8 1 一 ， 男， 山西太原人， 工程师， 硕士， 研究方向 井下防爆无轨胶轮车的设计研发。 一 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 3 6 1 ． 主蓄能器2 ， 7 ． 截止 阀3 ． 蓄能器4 ． 悬 架液压 缸 5 ． 阻尼阀6 ． 右气控换向阀8 ． 左气控换向阀 图2 新设计的油气悬架液压系统原理简图 时 ， 有杆腔油液流向无杆腔 。由于阻尼 阀中单 向阀 的作用 ， 油液只能通过阻尼阀中的节流阀流回无杆 腔 ， 从而产生较大阻尼力 ， 衰减车辆振动。 当需要增加车身高度时 ， 首先关闭截止 阀 7 ， 打 开气控换向阀 6 、 8 ， 使左、 右悬架液压缸连通 ， 然后 ， 开通截止阀 2 ，主蓄能器 1中的高压油就 同时流 向 左、 右悬架液压缸， 保证了左、 右车身的同步升高。 当需要降低车身高度时， 首先 ， 关闭截止阀 2 ， 打开气控换向阀6 、 8 ， 使左、 右悬架液压缸连通 ， 然 后 ， 开通截止阀 7 ， 左 、 右悬架液压缸 中的液压油就 同时流出， 保证了左、 右车身的同步降低。 3 悬架液压缸在胶轮车上的布置 悬架液压缸与车体铰接点位置的选取直接影 响悬架减振性能 的发挥 ，整车布置悬架液压缸时 ， 要考虑到车体载荷的分配规律 、 车辆行驶 的平稳性 以及安装空间等。该型胶轮车属于铰接转向的车 辆 ， 前车身部分的重心位于车桥前部， 因此 ， 在安装 空间允许的情况下 ， 悬架液压缸应尽量靠前布置。 根据胶轮车底盘的结构特点 ，悬架布置如图 3 所示 ， 左右各一套 ， 分别对称安装在摆架 2与车身 4 之间。悬架液压缸上端与车身铰接， 活塞杆与摆架 铰接，摆架后端与车身通过关节轴承铰接， 摆架内 侧安装 一拉杆 ， 分别与摆架和车身铰接 ， 对 摆架横 向运动起约束导向作用， 而摆架以后端铰销为支点 相对车身可上下左右作微量的摆动 ， 摆架前端通过 螺栓与车桥固定 ， 保证前车身总是处于水平状态 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 1 ． 车桥2 ． 摆架3 ． 悬架液压缸4 ． 车身 图 3 悬架液压缸布置图 当车轮受到 向上的冲击时 ， 由于摆架与车桥 固 定 ， 二者将以摆架后端铰点为支点向上旋转 ， 通过 压缩悬架液压缸与车身前部靠近。同理 ， 当车轮受 到向下的冲击时， 二者将以摆架后端铰点为支点向 下旋转 ， 通过拉伸悬架液压缸与车身前部远离。可 见 ， 车身、 摆架及悬架液压缸三者实际上构成了一 个三角形减振机构， 随着路面激励的变化 ， 三角形 减振机构悬架液压缸所在 的一边不停地伸 长和缩 短 ， 通过阻尼 的减振作用 ， 来衰减路面的冲击 。 原来的悬架液压缸布置在车桥 的正上方 ， 距离 后面铰接点较近， 车身的重心较靠前 ， 不利于减振 功能的发挥。优化后 ， 根据车上空 间的大小 ， 加 固了 车桥与摆架的固定连接 ，悬架液压缸适 当前移 ， 使 液压缸作用力接近前 车身重心 ， 更利 于衰减车身的 振动 4 油气悬架系统对胶轮车减振性能的影响 为验证改进后油气悬架的减振效果 ， 利用仿真 软件 A D A M S 建立了油气悬架虚拟模型。通过仿真 计算分析 ， 将改进前 、 后油气悬架 的减振功能进行 对 比， 证 明改进后 的油气悬架系统能更理想地衰减 胶轮车的振动。 4 ． 1 虚拟仿真模型的建立 车辆悬架 系统 动力学主要研究 车辆 的低频振 动性能， 为了抓住主要矛盾 ， 把车身等所有被悬架 支撑的质量简化为一个集中质量 簧载质量 ， 把车 桥等非悬架支撑的质量简化为一个集中质量 非簧 载质量 ，把轮胎垂直方向的刚度简化 为线性变化 的刚度 ， 并且忽略轮胎阻尼的影响。根据该型胶轮 车的结构特点， 前、 后车身属于铰接连接 ， 振动相对 独立， 又加上车身左、 右结构基本对称， 左、 右悬架 相互独立 ，左、右车轮经过的路面也基本相同 ， 因 此 ， 可以将整车振动情况简化为 1 ／ 4车辆模 型， 即二 自由度振动模型。 A D A MS ／ H y d r a u l i c s 能够 模拟包 括液压 系统在 内的复杂机械一 液压系统的动力学性能。井下路面 模型采用随机 白噪声激励的方法获得 ， 液压模型利 用 H y d r a u l i c s 模块构建 ，通过在 AD AM S Ni e w中加 载 H y d r a u li c s 模块后，利用模块提供的液压元件库 建立液压 回路[4 1 ， 主要工作包 括建立 液压油 、 液压 缸、 蓄能器、 节流阀、 单向阀和连接管路等， 确定各 液压元件的参数 ， 并将上述元件按照油气悬架液压 原理连接起来 ， 得到的虚拟仿真模型如图 4所示。 路面激励 图 4 胶轮车二 自由度振动仿真计算模型 4 ． 2 仿真结果分析 虚拟模型建立后 ， 在 AD A MS Ni e w中进行无缝 连接 ， 然后就 可以模拟 车辆 的振动响应情况 ， 以簧 载质量 的加速度均方根值为评价指标 。 仿真基本 参数如 下 簧载质量 3 5 0 0 k g ， 非簧载质量 3 0 0 k g ， 轮胎 刚度 7 8 1 2 5 0 N ／ m；原油气悬架主要结构参数 为 蓄能器 充气压 力 3 MP a ， 体积 2 ． 5 L， 缸筒 内径 0 ． 1 m； 新油气悬架主要结构参数为 蓄能器充气压 力 3 M P a ， 体积 2 ．5 L ， 缸筒内径 0 ． 1 m， 活塞杆直径 0 ．0 8 In ， 阻尼孔直径 5 m m， 单向阀直径 6 m m； 仿真 时间设为 5 0 S ， 仿真结果如图 5 、 6 所示。 从图5 和图6可以看出， 新油气悬架簧载质量 加速度振动 幅值 比原油气悬架簧载质量加速度 振 一 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 黧 动幅值明显减小 ； 采用新油气悬架后 ， 簧载质量加 速度均方根值由原来的0 ．8 8 m ／ s 降低为 0 ．5 4 m ／ s ， 表 明新油气悬架能够发挥阻尼作用 ， 减振性能大大 提高。 5 结论 1 针对某型井下胶轮车油气悬架系统存在的 问题 ， 根据胶轮车运行工况 ， 设计了新的油气悬架 系统 ， 在原油气悬架系统 的基础上加入 了阻尼阀与 气控换向阀， 减少了截止阀的数量， 优化了油路连 接形式 ， 重新布置了悬架液压缸。理论分析表 明， 无 论是调节车身高度，还是改善胶轮车行驶平顺性 能， 新油气悬架系统都明显优于原油气悬架系统。 2 利用仿真软件建立了符合实际工况的胶轮 车油气悬架系统虚拟仿真模型 ，通过动力学分析 ， 证 明新油气悬架系统结构合理 ，减振性能优 良， 相 一 3 8一 比原油气悬架 系统而言 ， 减振效果 更为理想 ， 说 明 改进方案切实可行 ， 能够取得良好效果， 对于提高 胶轮车产品质量具有重要意义 。 参考文献 [ 1 ]张彦禄． 我国防爆无轨胶轮车辅助运输 的应用与启示 [ J ] ． 煤炭工程， 2 0 0 6 6 3 9 4 3 ． 【 2 】秦家升， 安静， 单海燕， 等． 油气悬架的特征及其结构原 理分析I J 1 ． 工程机械， 2 0 0 3 1 1 7 - 1 0 ． [ 3 ]陈玲． 矿用汽车平顺性研究[ D 】 ． 北京 北京科技大学 ， 2 00 6． [ 4 ]徐刚， 何绍华， 姚雪梅， 等． 工程机械油气悬架 A D A MS 建 模与l生 能仿真『 J 1 ． 中国工程机械学报， 2 0 0 5 ， 3 2 1 3 8 一 】 43． 通信地址 山西省太原市并州南路 1 0 8号中国煤炭科工集 团太原研究院 0 3 0 0 0 6 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m