油气悬挂技术在矿用胶轮车上的应用.pdf

塞 Des i gn r es ea r c h 黧 油气悬挂技术在矿用胶轮车上的应用 李俊仁 山西卓里集团有限公司 山西运城0 4 4 0 0 0 摘要车辆传统 的机械式被动悬架系统，大都 由钢板弹簧组成。路面恶劣时，由地面传递给车身的冲 击力使驾驶者非常不适 ，为 了改变这种现象，部分载重卡车及工程机械上采用 了油气悬架。将该先进的 技术，应用在矿井下防爆无轨胶轮车 上，极大地提高了车辆的舒适性。随着制造工艺水平 的提高，油气 悬挂技术将会在各种车辆上广泛应用。 关键词 油气悬挂 ；胶轮车 ；非线性 ；蓄能器 1 、油气悬架系统的分类 油气悬架有多种形式。按单缸蓄能器形式，分为单 气室、双气室、两级压力式等；按车桥各悬架缸是否相 连可分为独立式和连通式； 按车辆行驶过程 中悬架控制 是否需要外部能量输入分为被动油气悬架 、 半主动油气 悬架和主动油气悬架 。目前 ，国外油气悬架系统已商品 化 ，应用于各类特殊底盘的结构中，如 自卸汽车、全地 面起重机等 ， 采用 的形式也各有不同。自卸汽车多采用 独立式油气悬架 ， 而在路况恶劣的情况下多采用连通式 悬架，可增强车辆的行驶平顺性和操纵稳定性 。 2 、油气悬挂的主要性能与特点 比起传统的也是 目前国内普遍使用的以钢板弹簧 和减振器为主要原件的被动悬架， 油气悬挂主要 由以下 性能特点 1 非线性变刚度特性 油气悬挂具有非线性变刚度特性，渐增性特点，如 图 1 ，随着车架与车桥相对压缩行程 的增大，刚度系数 呈非线性增大， 而在其拉伸行程变化不 明显 ， 这样可 以 实现平坦路面上行驶时动行程小， 悬挂刚度小， 行驶平 顺性好，而在起伏地面上行驶时，悬挂刚度大，能吸收 较多的冲击能量，避免产生刚性撞击 ， 使车身获得很低 的 自由振动频率，实现频率衰减 ， 使车辆具有 良好的平 J 顿性。 2非线性 变阻尼特性 汽油悬挂具有非线性变阻尼特性，如图2 ，随着车架 与车桥相对速度增大，阻尼力和阻尼系数相应增大，且 表现出油气悬挂在车架与车桥相对拉伸时阻尼系数大而 在压缩行程时阻尼系数小，这样很好地实现减振目的。 图 1 刚度 系数 图 3良好 的减振性 能 7 7 _ ， ／ f ＼ 7 ＼ ＼ 5 4 ’ 3 ‘ 1 0 1 2]4 5 速 度 m ／ s 图 2阻尼 系数图 油气悬挂在动行程、速度、加速度、地面信号的频 率、地面对车轮的冲击力方面具有极大的降低效果。特 别对地面的高频振动信号，油气悬挂表现出极大的衰减 率，说明油气悬挂适用于车辆在不平坦路面上高速行驶。 3 、油气悬挂在矿用车上的实施 为提高车辆行驶平顺性，国外小客车、载重卡车及 工程机械上早己采用了油气悬架系统 ， 特别在矿 山自卸 载重卡车上用的更为普遍。 当车辆在不平道路上行驶时， 可以减少地面传递给车身的冲击力， 特别在空载时可得 到较小的振动频率 。 随着煤矿井下采掘作业面的增大，井 口到达作业 畚 函 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 没汁研究 面的距离变长 ， 要保证工作人员和采掘物质及时、 快捷 的运送， 无轨胶轮运输车是⋯ 个重要的手段 。由于井下 窄间有限，坡度较长，再加上路面条件恶劣，车辆运行 颠簸严重 ， 乘坐人员及驾驶员非常不适。同时零部件也 频繁损坏 ， 维修费用又较高，因而对矿用运输车减振系 统要应用先进技术进行优化设汁。对矿井下胶轮车来 说，在行驶状态需要有 良好的弹性悬架 以保证行驶速 度 ，而 油气悬 架 可 以做 到这 一点 。 为了开发 市场，我去年在某公司，参考成熟机型结 构， 以本人为主设计并制作 了一台 w e 5型防爆柴油机无 轨胶轮车载货样机，经测试性能，已达到预期 目的。随 后我又对该机型进行了改进设计 ， 增加了功能。 它的主 要特 点是既可载货还可载人 。该系统主要 由前悬挂油 缸、蓄能器、液压油箱 、前悬架、后悬挂油缸、后悬架 等组成。其悬架的形式为单缸蓄能器独立式，结构布置 情况见图 3 。同时又对液压及油气悬挂系统进行了理论 计算， 以后悬挂装置为例叙述如下。 2 计算油缸的受力 F各作用力分别对后悬架 0点 取 力矩 列 平衡 方程 e F d wh 十 d Gh 即F d W G ． ／ e 2 考虑 2 0 ％ ；动载荷 系数 0 ． 8将 知条件代入上式 计算油缸最大受力 F k g 可得 F [ 6 9 0 * 3 2 0 0 4 6 9 7 q s o ] 1 ． 2 术 I ． 8 2 6 1 5 5 k g 3 3油缸直径 DH 的计算 两个油缸 每个油缸受力 F I ／ 2 F 已矢 口P 1 8 M P a 1 8 0 k g ／ c m 4 由公式F P 术Ⅱ术 D ／ 4 导 出 D [ 1 ／ 2 F * 4 * ／ P ／Ⅱ] “ 将己知条件代入 卜 式 可得D [ 1 ／ 2 术 2 6 l 5 5 术 4 ／ 1 8 0 ／ 3 ． 1 4 ] ” 9 ． 6 2 c m 圆整 为 D ． l O O m m 5 4油缸 行程 S的确定 可由作图得到油缸压缩行程为 8 0 m m 。 为了增加活 塞杆的稳定性 ， 在 间允许的情况下，活塞杆未伸出部 分可 选 1 2 0 n u n 。 可 得 S 8 0 l 2 0 2 0 0 n m 1 6 阎 选用直径 1 0 0 m m 行程 2 0 0 m m 耐压 2 0 M P a的工 程用后转耳液压油缸为宜。 3 ． 2囊式蓄能器的确定嘲 a 3 3 0 0 b 3 2 0 0 c ； 1 4 0 0 d 6 9 0 e 4 5 0 1状 态 参 数 的 定 义 及 计 算 图3 WC 5无轨胶轮车油气悬挂布置图P o - - - 预充 力； V o 有效气体容量 3 ． 1 后悬挂油缸的确定 各参数见 图 3，长度单位为P l - - - 最低工作压力； V l- - 在 P m t 2i - K, mm 1 p - - - 最高工作压力； V e - - - 在 P z 时气体容量； 已知 额定载 品质 G - 5 O O O k g 允许超载 2 0 ％ ；前桥 P 为车辆空载静止时的悬挂油缸 力 空载承重 W o 4 8 0 0 k g 后桥空载承重 W H 3 2 0 0 k g ； 即P w n ／ 木 D ／ 4 3 2 0 0 ／ 3 - 1 4 术 1 0 ／ 4 4 M P 7 结构尺 j a 3 3 0 0 b 3 2 0 0 c 1 4 0 0 d 6 9 0 e 4 5 0 要求P 0 ≤ o 9 P I 0 9 4 。_ 3 6 M P a 即确定P o 3 M P a 8 后轴处悬架工作垂直振幅 l 2 0 m m ；液J玉允许 [ 作压 由 4 式 可得 P 1 8 M P a 9 力 P 1 8 M p a ；最大动载荷系数选 0 ． 8 2蓄能器有效容积变化量的计算 1 计算额定载质量 G对后轴的转移 重量 G H 相当于有效的油液量 即 △V V 一 V 术 D 2 ／ ／ 4 术 S 分别对前轴中心取力矩 。 将 5 6 式代入上式 列平衡方程 a 木 G [ a - b ／ 2 ～ c ] 术 G 可得 △V 3 1 4 木 1 ／ 4 冰 0 8 0 6 2 8 L 1 0 即 G H [ a 一 b ／ 2 一 c ] 冰 G ／ a将已知条件代入 上式 3蓄能器有效气体容量的计算 可得 蓄能器内的压缩和膨胀过程应遵循 体状态的规律。 G [ 3 3 0 O 一 3 2 O 0 ／ 2 1 4 0 。 ] * 5 0 0 0 ／ 3 3 0 0 4 6 9 7 k g 1 理想 的气体状态方程为P o * V 】 P 冰 V “ 。 。 P 2 术 V 2 式中 n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 为多变指数 当气体快速的膨胀和压缩过程发生绝热状态变化 时，多变指数 n 1 ． 4 由计算公式V o A v ／ [ P 。 ／ P 。 I ／ 1 ． 4 P 。 ／ P 。 。 。 ] 将 7 8 9 1 0 式代入上式 可 得v 。 -- 0 ． 6 2 8 ／ [ 3 ／ 4 7 1 4 3 ／ 1 8 7 1 4 j -- 1 ． 1 7 L 4蓄能器的选型及注意事项 国际专业组织 已对蓄能器的容量规格及尺寸范 围 作了统一规定。固后轴单边选用公称容量为 1 ． 6 L 工作 压力为 2 0 M P a为宜 ，其型号为 N X Q A 一 1 ． 6 ／ 2 0 一 L A ． 选择时应注意，蓄能器是‘ 种压力容器， 所 以必须 选用专业生产厂家的产品， 并应有 国家质量监督检验部 门颁发的特种设备许可证。 没 汁研 究 4 ． 2后悬挂的调整 当车厢一次装载量或卸载量超过 3吨时， 应进行后 悬挂复位的调整 ，以便使减振效果达到最佳状态 。 即使 后悬挂缸的活塞杆伸 出量在 8 0 mm 左右 。调整按如下 两种工况进行操作第一种是装载工况，装载完毕后， 向外拉后悬挂控制阀手柄 ， 使后机架抬起 ， 直到不再上 升后放开手柄，使车辆达到正常运行状况 。 第二种是卸 载工况 ，当车厢卸载后 ，向里推后悬挂控制 阀手柄，先 使后机架降到最低， 然后再向外拉手柄使机架抬起 ， 直 到不再上升后放开手柄。 使用和维修中要注意 在工作中应经常检查悬挂系 统 的工作状态，禁止在悬挂油缸活塞杆未伸出时开车。 当要维修后悬挂油缸时， 应使机架降到最低 ， 将蓄能器 泄压，以免油液喷出伤人。 4 、液压系统及悬挂装置的使用与调整 5 、结论 该机型液压系统是油气悬挂和全液压转向部分共 享一个系统 ，其原理见图 4 。我本人根据我 国地下煤矿 的现状 ， 对整车液压系统进行 了简化设计，选用 了国产 液压组件 ，比进 口同类机型节约成本 6 0 ％ ，并便于维修 与 调整 。 一 J rB 1 挂】由 缸 2 截 j 分流 4 一 单目月 5 。 定量 6 。 } 替挂控 7 一 手 动 挂 控制 目 8 一 行 程限 位 9 一 目 悬 挂 缸1 0 一 囊武 蓄 器l 1 一 转 自 筑 图 4 WC 5 简化液压 系统原理 图 4 ． 1前悬挂 的调整 工作时，关闭 旋进截止 阀，使得前悬挂两侧蓄 能器充液 ，前机架即会 自动升起 ，到达调定高度后，则 自行停止。悬挂正常时前悬挂缸的活塞杆伸 出量大约 6 5 ram。升起机架时，注意应使两侧同时升起，避免～ 侧升起后才升另一侧，以免机架卡住。 维修时要注意 ，应松开 旋 出截止阀，使蓄能器 完全泄压，以免高压油液喷出伤人。 1 油气悬挂是一种先进悬挂装置，其技术是流体 力学、 振动学、热力学、 制造工艺学的综合科学。 具有 钢板弹簧悬挂难 以比拟的优点， 非常适用于矿井下无轨 运输车辆。 2 开发油气悬挂技术 ， 首先要建立油气悬挂理论， 结合计算机仿真和实物试验进行研究，进而优化设计， 在借鉴 国内外先进技术的基础上， 设计出适合我国矿井 下巷道地面特点的不 同车型的油气悬挂 。 3 应用油气悬挂，首先要考虑到液压件的选择要 可靠、耐用，要选用质量稳定的配套生产厂家。同时也 要考虑到配件的供货时间和维修的经济性。 4 随着科学的发展和生产水平的提高，油气悬挂 向着半主动和全主动控制方向发展， 必将有着更广泛 的 应用和发展 。 致谢 中平能化集团机械制造有限公司 煤炭科学研究总院太原分院 参考文献 【 1 】吴仁智． 油气悬挂系统动力学建模仿真和试验 的研究【 D 】． 浙 江大学博士学位论文 ，2 0 0 0 [ 2 1封 士彩 ． C XP 1 0 3 2起重机 油气悬挂系统减振性 能的研究 [ D] 中国矿业大学硕士学位论文 ，2 0 0 0 [ 3 】丹阳市宏达蓄能器有限公司 ． 蓄 能器容量选择[ z 】 ． 产品样本 [ 4 ]封士彩．工程车辆油气悬挂技术的开发和研制 [ J ] ． 机床与液 压 ，2 0 0 2 3 21 4 ～ 2 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m