重载矿用自卸车油气悬挂缸的试验研究.pdf

需要选型， 以便更好地改进系统。 3 结束语 路面摊铺试验台液压系统由不同工作装置的 控制子系统组成， 是保证试验台进行各个不同试验 的基础。液压系统主要由行走液压回路与工作装置 回路组成， 行走系统为试验台提供动力 ， 工作装置 回路则完成具体的动作。目 前， 主要利用该试验台 进行螺旋布料器的动态特性分析， 沥青路面再生加 热方法、 加热方式及施工参数对加热质量的影响规 律分析等试验。 参考文献 『 1 ]1吴昭君 ， 姚泽光 ， 蔡顶春 ， 等． 公路路面摊铺与养护综合 实验台及实验方法研究叨．建筑机械 ， 2 0 1 2 9 1 0 0 1 0 3 ． [ 2 ]吴永平 ， 姚怀新． 工程机械设计[ M ] ． 北京 人民交通出版 社 。 2 0 0 5 ． [ 3 】刘延俊． 液压 回路与系统[ M1 ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 『 4 ]贺新运 ， 郭锋 ， 王琛 ， 等． 电液比例变量泵控定量马达调 速特性研究【 J 】 ． 工程机械， 2 0 0 7 7 4 5 8 ． 通信地址陕西省西安市南二环中段 长安大学北院交通科 技大厦 2 0 0 6室 7 1 0 0 6 4 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 1 7 重载矿用 自卸车油气悬挂缸的试验研究 术 曹扬 ， 倪文波 ， 黄赫 。 ， 李涛 1 ． 西南交通大学机械工程学院； 2 ． 南车广州电力机车有限公司 摘要针对某型重载矿用自卸车油气悬挂缸的结构和工作原理，建立其数学模型以及基于 AM E S i m 的仿真模型， 在此基础上研究初始充气体积、 阻尼孔直径等关键参数对油气悬挂缸性能的影响， 并进行油气 悬挂缸性能试验。 试验结果验证了仿真模型的正确性和有效性， 该仿真模型可用于指导油气悬挂缸的设计 ， 为悬挂系统的参数优化提供依据， 为进一步分析整车悬挂系统性能打下基础。 关键词 油气悬挂 ； AME S i m； 试验 油气悬挂系统是集弹性元件 和减振元 件于一 体的悬挂系统，由于具有变刚度和变阻尼特性 ， 且 能实现车身高度的自由调节， 使车辆能够在各种复 杂的路面情况下均最大限度地满足平顺性要求 ， 因 此在重载矿用 自卸车等工程车辆中得到了广泛应 用。悬挂系统中油气悬挂缸的输出力特性、 刚度特 性和阻尼特性 对车辆的动力学性能有着重 要 的影 响， 这就使得借助仿真和试验对油气悬挂缸工作特 性进行分析和预测变得尤为重要。目前， 国内重载 矿用 自卸车的载重量越来越大， 对其所使用的油气 悬挂缸的性能要求也越来越高， 但对大型油气悬挂 缸的试验研究很少。本文针对某型 2 2 0 t 级重载矿 用自卸车用油气悬挂缸， 通过理论分析、 A M E s i m仿 真和试验的方法对其工作特性进行研究。 1 油气悬挂缸结构及工作原理 根据工作原理， 油气悬挂缸可以分为单气室油 气悬挂缸、 双气室油气悬挂缸以及带反压力气室油 气悬挂缸 3 种。单气室油气悬挂缸又可以分为油气 分隔式和油气不分隔式油气悬挂缸两种【” 。单气室 油气不分隔式油气悬挂缸结构简图见图 1 ，主要 由 杆筒和缸筒两大组件构成 ， 二者内腔相通， 腔内充 有油液， 油液面与缸筒上部之间充有一定量 体积 的氮气， 作为弹性介质， 氮气与油液直接接触 ； 缸筒 内壁和杆筒外壁围成一个环形腔 ， 环形腔通过两个 单向阀和两个阻尼孔与内腔相通。单气室油气不分 基金项 目 中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目 S WJ T U1 2 C X 0 4 3 作者简介 曹扬 1 9 8 8 一 ， 湖南衡阳人， 在读硕士， 研究方向 车辆系统动力学研究。 ～ 2 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 单气室油气不分隔式油气悬挂缸结构筒图 隔式油气悬挂缸由于结构简单， 在大型 自卸车上得 到了广泛应用， 本文即以此种油气悬挂缸作为研究 对象。 单气室油气不分隔式油气悬挂缸 以下简称油 气悬挂缸 的工作原理 在压缩行程中， 杆筒和缸筒 内腔中的气体被压缩 ， 气体压力增大 ， 迫使油液通 过阻尼孑 L 和单向阀流进环形腔；在拉伸行程中， 气 体膨胀 ， 气体压力减小 ， 单向阀关闭， 油液仅通过阻 尼孔由环形腔流回杆筒和缸筒内腔。在杆筒与缸筒 的相对往复运动中，气体不断地被压缩和膨胀 ， 不 断地储存能量和释放能量， 类似于弹簧作用； 油液 则不断地通过阻尼孔流进或流出 ，形成阻尼作用 。 所以， 油气悬挂缸具有弹性和阻尼两种特性 。 2 油气悬挂缸数学模型 2 ． 1 油气悬挂缸输 出力方程 以压缩行程为例 ，建立油气悬挂缸的数学模 型。取激励信号向上为正方向， 以缸筒为研究对象 进行受力分析 ， 则输出力 F 可表示为 F p A1 - p 2 一 1 式中 p 。气体压力； p 2 _环形腔 内油压 ； A 杆筒截面积； A 广环形腔截面积； 杆筒与缸筒内壁间的摩擦力。 2 ． 2 小孔流量方程 由于油气悬挂缸的阻尼孔和单 向阀的节流孑 L 长径比l／ d O ．5 ， 均为薄壁孑 L 口嘲 ， 则流经阻尼孑 L 和单 向阀的流量方程为 Q z a 争 } si 、 ／ △ p 2 式中 一阻尼孔流量系数； 一 单向阀孔口流量系数； 4 一 阻尼孔孔口节流面积； A 厂一 单向阀孔口节流面积； A p _- 彳L 口前后压差； p 油液密度； s i 印 符号函数 ， 在压缩行程中， 单向阀 与阻尼孑 L 同时开启， s i f； Il 1 ； 在 拉伸行程中， 单向阀关闭， 阻尼孔 开启 ， s i g n x 一 1 闭 。 2 ． 3 气体状态方程 油气悬挂缸内气体为氮气，其性质与理想气体 接近， 气体状态变化可由如下方程描述 尸 c 3 式中 P 0 『 _ - 初始充气压力； 旷 -初始充气体积； 一 气体压力； 广气 体体积； 凡 气体多变指数。 由于气体在一个加载周期内处于等温和绝热过 程之间， 根据文献[ 4 】 建议， 取 n l _3 。 3 油气悬挂缸 A M E S i m仿真 3 ． 1 仿真模型的建立 根据油气悬挂缸的具体结构， 利用 A M E S i m软 件建立其仿真模型， 如图 2 所示。 油气悬挂缸的杆筒 B 图2 A ME S i r a 仿真模型 一 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 誊 ≥ 和缸筒采用两个 B R P 1 8 模块， 上模块活塞代表油气 悬挂缸内腔， 下模块活塞代表环形腔； 采用一个蓄能 器来模拟封闭气体容积； 两个单向阀和两个节流口 分别选用液压库 中的 C V 0 0 2模块和 O R 0 0 0模块进 行仿真。主要仿真参数见表 1 。 表 1 主要仿真参数 参数名称 参数值 初始充气压力 P a 0 - 4 密闭气体体积 几 1 6 活塞直径 ／ mm 4 5 0 活塞杆直径 ／ ra m 3 9 0 单向阀当量直径 ／ ra m 7 ． 2 阻尼孔直径 ／ m m 7 ． 5 气体多变指数 ／ mm 1 - 3 3 ． 2 仿真结果分析 为了便于与试验结果进行对比， 设定输入信号 为频率 0 ．2 5 H z ， 振幅为 1 0 8 m m的正弦波， 仿真时 间 1 0 s ， 模拟油气悬挂缸在满载工况下的性能。 运行 仿真模型后 ， 得到其输出力特性曲线和位移特性曲 线如图 3和图 4中实线所示。 时间／ s 图3 输出力的试验与仿真曲线对比 由仿真结果可以看出， 油气悬挂缸的输出力随 着时间和位移非线性变化。 3 ．3 结构参数对性能的影响 根据油气悬挂缸的数学模型可知， 气体体积和 阻尼孔直径等因素会直接影响气体弹性力和油液阻 尼力的大小。针对上述 A M E S im仿真模型， 利用批 一 26一 Z 葫 簿 图 4 输出力一 位移的试验与仿真 曲线对 匕 处理技术， 保持加载条件一致， 可计算气体体积和阻 尼孔直径两个参数对油气悬挂缸输出力的影响， 分 别绘出输出力 一 位移特性曲线， 如图 5 、 图6 所示。 通过图 5 、 图6 可以看出， 气体体积对于油气悬 挂缸的输出力有着很大的影响，直接影响着悬挂系 Z R 丑 镍 Z 酋 镰 图5 气体体积 y对油气悬挂缸输出力的影响 位移， m 图6 阻尼孔直径 d对油气悬挂缸输出力的影响 O 0 0 O O O ∞ 乏 审簿 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 统的刚度， 对车辆的动力学性能有着很大影响； 阻尼 孔直径同样影响油气悬挂缸的输出力 ， 孔径越小阻 尼力越大。 4 油气悬挂缸性能试验 4 ． 1 试验 目的 为了保证重载矿用自卸车的动力学性能， 验证 所设计的油气悬挂缸是否满足设计要求， 以及所建 立油气悬挂缸模型的正确性， 在完成油气悬挂缸制 造之后 ， 进行 了油气悬挂缸试验 以及满载工况下 的 性能测试 。 ． 4 ． 2 试验方法 针对试验油气悬挂缸， 设计了专门的试验台架， 如图 7 所示， 油气悬挂缸垂直安装， 试验台架上部为 加载液压缸嘲 。加载液压缸通过一个加载头与油气 悬挂缸的缸筒相接。 试验 台架 加载液压缸 油气悬挂缸 位移传感器 图 7 试验 台架 油气悬挂缸输出力的测量借助于其内置的压力 传感器完成， 位移测量采用外置的位移传感器完成。 试验前按照设计要求完成悬挂缸的充油以及充气 氮气 工作。由计算机通过数据采集卡完成对压力 和位移传感器信息的测量与记录。 4 ． 3 试验结果 试验模拟重载矿用自卸车的满载工况。先采用 加载液压缸将油气悬挂缸压缩至满载位置， 再在此 位置施加最大频率为 0 ． 2 5 H z 、 振幅为 1 0 8 m m的正 弦激励信号。采集油气悬挂缸压力信号和位移信 号 ， 试验结果如图 3 、 图 4中虚线所示。 通过对试验结果与仿真结果进行对比分析 ， 可 以看出， 油气悬挂缸的最大和最小输出力数值基本 一 致 ； 通过对曲线进行拟合和计算， 最大误差不超 过5 ％。另外发现， 由于单向阀开启过程的影响， 换 向过程中出现扰动 ， 因此， 实际生产中应注意单向 阀的装配检查。 降低加载频率进行试验， 得出的试验结果在幅 值上与上述试验结果基本一致。试验结果表明， 油 气悬挂缸达到了设计要求 ，试验结果也验证了 A M E S i m仿真模型的正确性和有效性。 5 结束语 本文针对重载矿用 自卸车的油气悬挂缸， 进行 了理论分析，建立了基于 A M E S i m的仿真模型 ， 分 析了气体体积、 阻尼孔直径等关键参数对油气悬挂 缸性能的影响。通过试验，验证了所建立 A M E S im 仿真模型的正确性和有效性， 为油气悬挂缸的开发 设计奠定了一定基础， 为进一步优化重载矿用自卸 车油气悬挂系统的参数提供了依据。 参考文献 [ 1 ]1 李松龄． 汽车构造嗍 ． 北京 知识产权出版社， 2 0 1 0 2 6 8 ． [ 2 ] 苟维杰． 液压与气压传动【 M 】 ． 长沙 国防科技大学出版 社， 2 0 1 0 3 0 ． 【 3 】 基于 A M E S i m的单腔油气悬架阻尼特性仿真分析【 D 】 ． 河北 中国人民解放军军械工程学院， 2 0 1 0 ． [ 4 ] 李芳民．工程机械液压与液力传动[ M ] ． 北京 人民交通出 版社 ， 2 0 0 0 1 2 0 ． 『 5 ]周德成．矿用 自卸汽车油气悬挂系统动力学仿真及试验 研究[ D ] ． 吉林i 吉林大学， 2 0 0 5 ． 通信地址四川省成都市金牛区北二环 1 1 1 号西南交通大 学机械工程学 院研 1 1 - 4班 6 3 0 0 3 1 收稿 日 期 2 0 1 3 0 1 2 4 一 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m