佟鋼 趙闖

摘要：礦山地下環(huán)境復(fù)雜，對(duì)其運(yùn)輸車(chē)輛有著較高的要求，與傳統(tǒng)有軌運(yùn)輸機(jī)械相比無(wú)軌膠輪車(chē)具有適應(yīng)環(huán)境強(qiáng)、應(yīng)用靈活和安全性高的特點(diǎn)。由于井下路面復(fù)雜，對(duì)無(wú)軌膠輪車(chē)的懸架系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。因此為滿足井下對(duì)無(wú)軌膠輪車(chē)的要求，針對(duì)油氣懸掛進(jìn)行研究對(duì)提高無(wú)軌膠輪車(chē)的穩(wěn)定性和適用性有著特別重要的意義。

關(guān)鍵詞：無(wú)軌膠輪車(chē);油氣懸掛系統(tǒng)

1.緒論

圖 1.1 礦用無(wú)軌膠輪車(chē)

目前井下無(wú)軌膠輪運(yùn)輸車(chē)的懸架主要有鋼板彈簧、空氣彈簧和油氣彈簧三種形式。鋼板彈簧是由若干等寬長(zhǎng)度大小不一的彈簧片組成。其原理類似于一彈性梁，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。但減震性能長(zhǎng)度大，大多在小載重車(chē)輛中使用。

空氣彈簧懸架是在特種橡膠囊中充入壓縮氣體，利用氣體的可壓縮性實(shí)現(xiàn)彈簧的功能。其具有減震柔和的特點(diǎn)，但是空氣彈簧的體積較大，增加了車(chē)輛的長(zhǎng)度和寬度，加大了對(duì)井下巷道的要求，不利于對(duì)成本的控制。

油氣懸架是以蓄能器為彈性元件，以油液為傳力介質(zhì)，以氣體為彈性介質(zhì)的一種裝置。具有優(yōu)良的減震特性，體積小。可以在井下各種工況下保證車(chē)輛的平順行駛。

2.油氣懸架

D.C. Karnopp與上世紀(jì)60年代末發(fā)明油氣減振器以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，因其具有的高承載能力、較小的體積、較強(qiáng)的減震特性的特點(diǎn)，已得到廣泛的應(yīng)用。

油氣懸架具有以下傳統(tǒng)式被動(dòng)懸架不具有的優(yōu)點(diǎn)：

①可以有效降低在井下各種工況下對(duì)車(chē)輪的沖擊。②保證車(chē)輛在一定速度下，在平坦或起伏路面上的良好的平順性。③當(dāng)車(chē)架與車(chē)橋處于相對(duì)拉伸時(shí)油氣懸架阻尼系數(shù)隨之增大;當(dāng)車(chē)架與車(chē)橋處于壓縮行程時(shí)，油氣懸架的阻尼系數(shù)隨之減小。④可對(duì)油氣懸架液壓缸進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。⑤通過(guò)切斷液壓元件的連接油路使得油氣懸架可剛性閉鎖，使車(chē)輛可以承受大載荷并以低速緩慢運(yùn)行。⑥油氣懸架單位儲(chǔ)能比大且結(jié)構(gòu)緊湊。⑦油氣懸架可通過(guò)軸載荷自調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)防止單個(gè)懸架過(guò)載。

油氣懸架不僅存在上述的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也有缺點(diǎn)：

①需提供較大的壓力，因此需要較強(qiáng)的密封和抗壓性能。②需要設(shè)置一些輔助設(shè)備，如充氣設(shè)備等。③油氣懸架的成本是傳動(dòng)被動(dòng)懸架的1.2-1.25倍左右。④在惡劣環(huán)境下易順壞，增加了后續(xù)維修的成本。

2.1油氣懸架的結(jié)構(gòu)及工作原理

油氣懸架是以蓄能器為彈性元件，以油液為傳力介質(zhì)，以氣體為彈性介質(zhì)的一種裝置。其油氣懸架的物理模型如下圖2.1所示：油氣懸架的油缸分為A和B兩個(gè)腔室，在活塞桿內(nèi)部設(shè)有一個(gè)空腔并且通過(guò)阻尼孔和單向閥與A、B兩個(gè)腔室相連。A腔通過(guò)一油管與蓄能器相連通。

1-缸筒 2-單向閥 3-活塞桿 4 阻尼孔5-蓄能器

圖2.1 油氣懸架的物理模型

活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，單向閥開(kāi)啟，受到了蓄能器因其內(nèi)部氣體的彈性變形抑制了活塞桿的向下運(yùn)動(dòng)。

活塞桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，單向閥關(guān)閉，油液通過(guò)阻尼孔流動(dòng)，抑制了活塞桿的向上運(yùn)動(dòng)。

2.2油氣懸掛的數(shù)學(xué)建模

由油氣懸掛結(jié)構(gòu)和工作原理建立數(shù)學(xué)模型，在建模時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算而做如下的假設(shè)：①假設(shè)該油氣懸掛中活塞、活塞桿與缸筒等部分是密封良好不泄露的;②在模型中不考慮由環(huán)境或內(nèi)部運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的溫度的變化;③在模型中不考慮由于壓力的變化而導(dǎo)致的應(yīng)力變形。④油氣懸掛中所含有的油液其體積彈性模量是一恒定。

2.2.1油缸的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)缸筒是靜止不動(dòng)的，活塞桿相對(duì)于缸筒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，得到活塞桿的輸出力的方程：

其中P1、P2分別為A、B兩腔的壓力，單位Pa;A1、A2分別為A、B兩腔的橫截面積，單位m2;Ff為安放在其中的密封圈的摩擦力，單位是N。

油缸中流經(jīng)單向閥以及阻尼孔和的流量與活塞桿運(yùn)動(dòng)速度：

式中 為油缸活塞桿運(yùn)動(dòng)速度，單位是m/s;V2為B腔的油液的體積，單位是m3;E為油液的彈性模量。B腔內(nèi)初始的油液體積V20可表示為 ;

X為油缸活塞桿運(yùn)動(dòng)的位移，單位m。

2.2.2蓄能器的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)蓄能器中的氣體氣壓不超過(guò)10MPa的氮?dú)?，不考慮溫度對(duì)其造成的影響，可以得到如下方程：

式中P3、V3分別為蓄能器中氣體瞬時(shí)的氣壓和體積，單位為，MPa和m3;P30、V30分別為蓄能器中氣體的初始?xì)鈮汉腕w積，單位為，MPa和m3;r為氣體的變指數(shù)。蓄能器中氣體的瞬時(shí)體積V3與初始的體積V30有如下的關(guān)系：

蓄能器進(jìn)出口與油液管路相連，因此在進(jìn)出口處存在局部壓力損失，其壓力關(guān)系可表示為：

式中 為壓力損失系數(shù)，A3為進(jìn)出口處的橫截面積，單位為m2; 為油液密度，單位為kg/m3;蓄能器的進(jìn)出口流量可以由下式來(lái)表示： ，單位為m3/s。

3.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)油氣懸架的結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，建立了油氣懸架的物理模型和數(shù)學(xué)模型。通過(guò)該數(shù)學(xué)模型可以進(jìn)行油氣懸架的動(dòng)態(tài)特性的仿真以及對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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