油气悬架结构参数对胶轮车行驶平顺性影响的研究

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随着现代化矿井的发展，胶轮车在煤矿采掘行业扮演着越来越重要的角色，其主要用来运输设备、材料、人员等，保证煤炭采掘的顺利进行。煤矿井下特殊的行驶条件决定胶轮车必须有 良好的减振机构，以衰减来 自路面的冲击、振动，最大程度减小车体的颠簸。油气悬架是以油液作为传力介质 ，用气体作为弹性介质的-种悬架形式 ，具有 良好的非线性刚度和阻尼特性，能够提高车辆的行驶平顺性 1，因此，油气悬架能够很好的适应胶轮车的行驶工况，应用前景非常广阔↑年来 ，胶轮车生产厂家尝试将油气悬架技术开始应用于胶轮车中 ，但是设计时缺少相应的理论指导，设计人员对胶轮车油气悬架技术的研究更是薄弱。为此，本文通过建立胶轮车油气悬架振动模型开展悬架减振性能方面的研究，以期掌握油气悬架主要结构参数对胶轮车行驶平顺性的影响规律。

1 胶轮车油气悬架系统介绍胶轮车由于长期在煤矿井下行驶作业，为适应巷道的要求，-般整车较低矮，给悬架的布置带来-定困难，传统的气 室 内置 式悬 架 油缸 。 很难适应胶轮车 的结构特点。只有开发悬架油缸较短的油气悬架系统，才有可能将油气悬架技术成功应用到胶轮车上『轮车油气悬架系统结构示意图如图 1所示。整个悬 图 1 油气悬架结构示意图架系统由悬架油缸、活塞杆组件 、蓄能器、阻尼阀四部分组成。用蓄能器作为专用气室，既保证了缓冲气体的密封性，又使悬架油缸变短，减小了油缸的连接尺寸。阻尼阀外置，包括单向阀与节流阀，方便更换与维修，同时易于实现阻尼可调，以满足胶轮车在不同路面行驶的需要。

当悬架油缸受压缩时，活塞挤压 I腔油液，此时，单向阀开启，阻尼力较小 ，其 中-部分油液通过单向阀进入Ⅱ腔，另-部分油液进入蓄能器，压缩气体，起到缓冲振动的作用。当悬架油缸受拉伸时，活塞挤压 Ⅱ腔油液，此时，单向阀关闭，Ⅱ腔油液通过节流阀进入 I腔，产生较大阻尼力，起到衰减振动的作用 ，与此同时，由于 I腔压力降低，蓄能器内高压油液迅速返回I腔，防止 I腔出现瞬时真空现象。

2 胶轮车油气悬架虚拟振动模型的建立及仿真2.1 井下路面激励模型的构建为建立尽量符合胶轮车实际行车工况的路面模型，通过查阅相关资料 可知，发现 D级路面与井下路面 比较相似，在对胶轮车的行驶平顺性进行仿真分析时，可采用 D级路面来模拟井下路面激励。根据有理函数参数估计建立仿真路面的方法，用以下数学方程来描述单个车轮受到D级路面随机激励的时域数学模型。

q(t)otuq 式中 g(t)--车轮所受到的路面激励 ；W (t)-- 白噪声；--车速(根据胶轮车常见实际行驶 车速，取收稿日期：2012-11-08作者简介：刘 杰(1981-)，男，河南商丘人，硕士学位，助理研究员，现中国煤炭科工集团太原研究院从事煤矿井下无轨辅助运输车辆设计、研发及试验研究工作。

1O22013年第7期 煤 炭 工 程25km/h)；- - 由所选路面不平度功率谱密度决定的有理函数参数估计值，对应 D级路面：d：0.1007(L/m)。

在 MATLAB/SIMULINK中对上述方程进行求解 ，运行时间为 50s，得到单轮 D级路面随机激励的位移如图 2所示～该路面激励信号导入 ADAMS中，即可用来驱动建立的胶轮车振动模型。

- 0.01- 0·O2. 0.03O 5 1O 1 5 20 25 30 35 40 45 50H，I'BI/s图2 单轮 D级路面时域激励位移2.2 胶轮车振动模型的构建为方便问题的分析，将胶轮车振动模型简化为 1/4车辆二自由度振动模型，胶轮车简化振动模型如图 3所示。

其中，簧载质量包括被油气悬架支撑的所有车体质量，非簧载质量包括非悬架支撑的所有车体质量。忽略轮胎阻尼，将轮胎简化为垂直方向上-刚度为常数的线性弹簧。依据简化的振动模型，在 ADAMS/View中建立虚拟机械模型，同时，利用前面得到的路面激励信号构建样条曲线，通过样条曲线数据来驱动运动副的运动，即可模拟路面的上下颠簸运动。

不平路向激励图3 胶轮车简化振动模型2.3 油气悬架液压模型的构建利用 ADAMS/Hydraulics模 块提供 的各种 液压元 件在ADAMS/View中构建油气悬架液压模型如图4所示。其中，悬架油缸的两个连接点 I Marker与J Maer分别连接簧载质量与非簧载质量，这样就将机械模型与液压模型进行了无缝连接，确保仿真的真实性。虽然元件库中没有阻尼阀，但是可以用单向阀和可调节流阀来模拟阻尼阀。构建蓄能器模型时要注意初始压力的设置 ，初始压力是指簧载质量作用在悬架上的静平衡压力 ，而非蓄能器初始充气压力。

最后 ，用管路将各元件按照油气悬架液压原理图连接，确保各元件参数设置的正确性。

图4 油气悬架液压模型2.4 仿真结果簧载质量在垂直方向上的振动加速度响应曲线如图5所示，加速度响应最大值为1.7 m/s 。以簧载质量的加速度均方根值作为评价指标，用来衡量胶轮车的行驶平顺性能。ADAMS的后处理拈能够根据加速度响应曲线计算出加速度均方根值 ，由图5可以得 出簧载质量加速度均方根值为0.54m/s 。

图5 簧载质量在垂直方向上的振动加速度响应曲线3 结构参数对胶轮车行驶平顺性的影响油气悬架主要结构参数包括两部分，-部分影响油气悬架刚度，另-部分影响油气悬架阻尼。与刚度有关的参数包括蓄能器初始充气压力、蓄能器额定容积，与阻尼有关的参数包括单 向阀等效直径、节流阀等效直径、悬架油缸内径、活塞杆直径等。重点分析蓄能器初始充气压力、蓄能器额定容积、单向阀等效直径及节流阀等效直径等结构参数对胶轮车行驶平顺性的影响。

1)蓄能器初始充气压力对平顺性的影响。改变蓄能器初始充气压力，簧载质量加速度均方根值的变化情况如图6所示。蓄能器初始充气压力的改变，直接影响油气悬架的刚度，初始充气压力越大，刚度越小，在-定程度上越能缓冲振动，加速度均方根值也就越小，说明胶轮车的行驶平顺性越好。但初始充气压力也不宜过大，初始充气压力必须小于悬架静平衡压力，才能发挥油气悬架的减振功能。

2)蓄能器额定容积对平顺性的影响。改变蓄能器额定03煤 炭 工 程 2013年第7期充气压力/MPa图6 蓄能器初始充气压力对平顺性的影响容积，蓄能器额定容积对平顺性的影响如图 7所示∩以看出，额定容积与充气压力对平顺性的影响规律大致相同，额定容积越大 ，加速度均方根值越小，从而也证实了文献[6]中所得出的二者对油气悬架刚度的影响具有相同的规律这-结论。但是 ，由于受胶轮车布置空间大小 的限制 ，选取蓄能器时，额定容积不可能太大。

充气容积/L图7 蓄能器额定容积对平顺性的影响3)单向阀等效直径对平顺性的影响。单向阀等效直径对平顺性的影响如图 8所示，从图 8可以看出，当单向阀等效直径为8mm以上时，对加速度均方根值的影响很小，这是因为单向阀等效直径大到-定程度后，阀 口对油液流动的影响几乎是-样的，因此阻尼力消耗的振动能量基本不变；当单向阀等效直径小于8mm时，单向阀等效直径对振动加速度的影响变的明显，随着单向阀等效直径的减小，加速度均方根值减小，这是因为，等效直径减小，阻尼作用影响了振动加速度。

单向阀等效直径/mm图8 单向阀等效直径对平顺性的影响4)节流阀等效直径对平顺性的影响≮流阀等效直径决定油液过流面积 ，是产生阻尼力的主要来源，对胶轮车行驶平顺性的影响非常明显≮流阀等效直径对平顺性的影响规律如图9所示。当节流阀等效直径高于 12mm时，加速度均方根值受等效直径变化的影响不明显，因为节流104阀等效直径高于 12ram后，阻尼作用影响很小，继续增加等效直径，对振动的衰减影响不大；当节流阀等效直径在低于12ram的范围内变化时，对加速度均方根值的影响较明显，随节流阀等效直径的减小，加速度均方根值明显降低。因为节流阀等效直径减小，相当于阻尼增加，振动能量得到明显衰减。但是，如果节流阀等效直径太小，也不利于发挥悬架的弹性作用，因此 ，适 当选融流阀等效直径可有效改善胶轮车行驶平顺性。

节流阀等效直径/mm图9 节流阀等效直径对平顺性的影响4 结 论1)建立了符合胶轮车实际工况的油气悬架动力学随机振动模型，通过仿真分析，得出了胶轮车在垂直方向上振动的加速度响应。据此可衡量胶轮车油气悬架系统的工作性能，为胶轮车整机减振性能的预测提供了依据。

2)分别讨论了蓄能器初始充气压力、蓄能器额定容积、单向阀等效直径及节流阀等效直径等几个主要参数对胶轮车行驶平顺性的影响规律。分析表明，适合提高蓄能器初始充气压力、蓄能器额定容积可有效改善胶轮车行驶平顺性，而增加单向阀等效直径及节流阀等效直径则降低了胶轮车行驶平顺性。

3)在设计胶轮车油气悬架系统时，要综合考虑悬架结构参数对胶轮车行驶平顺性的影响规律，只有结合胶轮车质量和行驶工况对油气悬架各结构参数进行合理匹配与优化，才能使油气悬架优良的减振性能得以发挥。