工程车辆行驶稳定系统减振性能分析

张征数

（山西省机电设计研究院，太原 030009)

当今节能性、安全性、舒适性和易维修性正受到国际工程车辆行业的普遍关注，逐步成为衡量产品质量与技术水平的重要标志［1］。目前，大部分工程车辆采用半刚性和刚性悬架，在车辆行驶时产生的自激振动易造成车辆纵向仰俯振动、反弹、附着力下降等现象（如图1所示)，仅依靠轮胎减振已无法满足车辆快速、平稳行驶的要求，必须采取有效措施控制整机的振动。国外的一些相关企业在解决此问题时，根据油气悬架的减振原理提出了应用行驶稳定系统进行相应控制的新方法，主要有被动蓄能式行驶稳定系统、可充液蓄能式行驶稳定系统等。行驶稳定系统将工程车辆的工作装置油缸作为液力减振器，可通过控制车架与工作装置间的耦合振动来快速消除整机的振动［2］。国内的一些企业、研究机构、高校对油气悬架进行了多方面的研究，但主要以仿真为主，缺少对油气悬架进行系统性和基础性的研究。由于缺乏必要的分析方法和设计理论的指导，消化国外引进技术时无法考虑整机的耦合减振控制问题，严重制约着国内工程车辆的发展。

随着国际环保法规的日趋严格，世界上许多国家已将工程车辆振动和噪声指标作为限制进口的技术壁垒，国产工程车辆在整车振动和噪声控制技术方面差距较大，仅以价格而非高技术含量为依托的出口优势正在减弱［3］。与油气悬架系统不同，因车辆的行驶稳定系统与整车结构、液压系统、工作装置、行走机构等多个系统相关，国内外尚无系统的设计理论［4］，对工程车辆行驶过程中的减振控制研究仍主要集中在油气悬架方面［5-6］。笔者将建立具有行驶稳定系统的整车机液耦合多系统模型，研究不同行驶工况下系统主要参数对车辆行驶平顺性的影响规律，为工程车辆行驶稳定系统耦合减振控制理论与现代设计方法提供理论依据。

本文在建立装载机虚拟样机模型的基础上［7］，将后桥和铲斗质心作为测试点，以加速度均方根值作为评价车辆行驶平顺性的指标，研究行驶稳定系统中蓄能器初始充气压力、额定容积、节流参数以及管路直径等结构参数对行驶平顺性的影响，为工程车辆行驶稳定系统的设计提供依据。

1 机液耦合模型的建立

轮式装载机结构较为复杂，但仅从研究减振系统对整机振动衰减影响考虑，可以对轮式装载机结构进行简化，只要能够反映其实际振动情况即可［8］。为提高仿真的精度，本文在ADAMS／view环境下建立轮式装载机三维模型。在建立模型时，忽略铲斗连杆机构和铲斗油缸，将动臂和铲斗看作一个构件，重点考虑动臂举升机构（包括油缸和活塞杆)模型、轮胎模型的建立。机械模型建立后，根据构件的运动情况相应地添加驱动和约束条件，建立装载机的简化系统动力学模型，如图2所示。

图2 机械模型

ADAMS／Hydraulics模块能够很好地耦合机械系统模块，模拟复杂液压机械系统的动力学性能［9］。Hydraulics模块自身拥有液压元件和液压油等模型，在ADAMS／View中加载该模块后，可建立行驶稳定液压系统与整机相互作用的模型，确定液压元件的参数，并按照图3将各元件连接起来。为了保证虚拟样机模型的准确性，必须对其进行检验。

图3 装载机行驶稳定系统

2 激励信号的输入

根据装载机的工作环境情况，在建立D级路面数学模型时，使用有理函数参数估计方法；在建立D级路面激励时域仿真模型时，采用ADAMS和MATLAB软件。式（1)是单个车轮的路面激励时域数学模型：

式中：q（t)为车轮受到的路面随机激励；w（t)为白噪声；v为车速，取15km／h，即4.167m／s；α为所选路面的空间频率，D级路面的α＝0.1007（1／m)。

由式（1)得到的单轮D级路面时域激励信号见图4所示。

图4 单轮D级路面时域激励信号

装载机行驶时基本不产生横向振动，因此本文仅考虑整机的垂直和纵向俯仰振动。假设两侧车轮输入的路面激励相同，不考虑轮距的影响，则加在装载机前轮上的路面激励相当于超前后轮路面激励一段时间，超前的时间为车的行驶速度与轴距之比。为了解决时间超前给模拟与分析带来的不便，可用ADAMS中的AKISPL和STEP函数来解决。在ADAMS的SPLINE样条元素中存放由MATLAB生成的路面不平度数据，用CUBSPL或AKISPL函数插值计算离散数据的中间点，从而模拟路面激励。

3 结构参数的影响

用ConstantBDF算法仿真ZL50装载机空载和满载状态的模型，仿真时间为50s，步长为0.01。减振系统开通后，可根据铲斗满载时的总质量和几何关系得到油缸处于平衡位置时的内部压力。必须保证蓄能器的初始充气压力以使行驶稳定系统发挥作用，同时保证仿真是从平衡位置开始。

3.1 蓄能器初始充气压力对平顺性的影响

在其他结构参数不变、蓄能器额定容积为10 L、节流阀最大水力直径为10mm、管路直径为25 mm的情况下，在一定范围内调整蓄能器的初始充气压力，考察加速度均方根值随充气压力的变化情况。满载时加速度均方根值随充气压力变化情况见图5所示。空载时，为使稳定系统发挥作用，蓄能器初始充气压力应小于2.3MPa，加速度均方根值随充气压力变化的仿真结果见图6所示。

从图5可知，随着蓄能器初始充气压力的增加，后桥与铲斗的加速度均方根值都减小；但后桥的加速度均方根值随充气压力的增加衰减比较平缓，而铲斗的加速度均方根值随充气压力的增加衰减较快，说明在充气压力相同的条件下，后桥的振动衰减效果没有铲斗好。

图5 满载时充气压力的影响曲线

图6 空载时充气压力的影响曲线

从图6可以看出，开通减振系统后，后桥加速度均方根值的降低不如铲斗降低的明显。蓄能器初始充气压力对加速度均方根值影响很小，随着充气压力的增大，后桥的加速度均方根值缓慢增大，铲斗的加速度均方根值缓慢减小。

3.2 蓄能器额定容积对平顺性的影响

在其他结构参数不变、蓄能器初始充气压力3.5MPa、管路直径为25mm、节流阀最大水力直径为10mm的情况下，调整蓄能器额定容积在一定范围内变化，考察加速度均方根值随充气压力变化的情况。满载情况下的仿真结果见图7所示。蓄能器初始充气压力取1MPa，其他结构参数固定不变，空载情况下加速度均方根值随充气压力变化的仿真结果见图8所示。

图7 满载时额定容积的影响曲线

从图7中可以看出，随着蓄能器额定容积的增加，后桥和铲斗的加速度均方根值都减小，但后桥的加速度均方根值随额定容积的增加衰减的比较平缓，而铲斗的加速度均方根值随额定容积的增加衰减的较快，说明在额定容积相同的情况下，后桥的振动衰减效果没有铲斗好。当蓄能器额定容积为1.6 L时，后桥的加速度均方根值为0.71m／s2，铲斗的为1.02m／s2，其加速度均方根值比没有开通减振系统时还要大。这表明如果蓄能器额定容积太小，会加剧后桥和铲斗振动。

图8 空载时额定容积的影响曲线

从图8可以看出，随着蓄能器额定容积的增大，后桥的加速度均方根值增大，铲斗的加速度均方根值减小。额定容积由1.6L变化到6.3L过程中，后桥的加速度均方根值迅速升高，铲斗的加速度均方根值迅速下降。额定容积大于6.3L后，后桥和铲斗的加速度均方根值变化趋缓。

3.3 节流阀对平顺性的影响

在ADAMS／Hydraulics模块中，油液流量的控制是通过改变节流阀的最大水力直径来实现的。在下述条件下考察加速度均方根值随节流阀的最大水力直径变化情况：蓄能器额定容积10L，蓄能器初始充气压力3.5MPa，管路直径25mm，油液密度900kg／m3，节流阀流量系数0.6，临界雷诺数50。满载情况下，节流阀对平顺性的影响仿真结果见图9所示。

图9 满载时最大水力直径的影响曲线

从图9可知，后桥和铲斗的加速度均方根值随着最大水力直径的增加先减小后增大。后桥和铲斗的加速度均方根值最小处对应的最大水力直径分别为6mm和8mm。后桥的加速度变化规律与铲斗的加速度变化规律大致一样，但如果最大水力直径太大，后桥的振动加速度比没有开通减振系统时还要大，这表明最大水力直径太大，会加剧后桥的振动程度。

同样，在取蓄能器初始充气压力为1MPa，其他所有参数与满载情况相同的空载情况下，节流阀对平顺性的影响仿真结果见图10所示。

图10 空载时最大水力直径的影响曲线

从图10可以看出，后桥和铲斗的加速度均方根值随着最大水力直径的增加都经历了先减小后增大的变化过程。后桥加速度均方根值最小处对应的最大水力直径为5mm，当最大水力直径大于15mm时，后桥的振动加速度比减振系统没有开通时还要大。在最大水力直径小于15mm时，随着最大水力直径的增加，铲斗的加速度均方根值逐渐减小；当最大水力直径大于15mm时，铲斗的加速度均方根值随着最大水力直径的增加开始逐渐增大，但变化平缓。

4 结论

1)蓄能器初始充气压力不可过小或过大，否则起不到减振效果。满载时，随充气压力的增加，铲斗的加速度衰减高于后桥，有利于防止物料的抛洒。充气压力对空载时的减振效果影响较小。

2)满载时蓄能器额定容积对铲斗加速度的影响比对后桥的影响大，额定容积越大，减振性能越好。空载时，蓄能器额定容积增大，铲斗减振效果增强，而后桥减振效果变差。在装载机安装空间的限制范围内，应尽可能选用大容量蓄能器。

3)只有控制好节流阀的最大水力直径，才能有效控制车身和铲斗的振动，否则会加剧其振动程度。

4)装载机行驶稳定系统蓄能器初始充气压力、额定容积与节流阀水力直径间的优化配合能够使装载机获得良好的减振效果，不同使用工况下的减振可通过节流阀进行调节。

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［2］刘杰，林慕义，孙大刚.耦合减振系统对装载机行驶平顺性的影响［J］.工程机械，2007，38（4)：21-24.

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