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        礦用車輛輔助氣室空氣懸架座椅振動仿真

        2020-03-26 07:57:28陳利東
        煤礦機電 2020年1期
        關(guān)鍵詞:支架振動

        陳利東

        (中國煤炭科工集團 太原研究院, 山西 太原 030006)

        0 引言

        目前礦用膠輪車得到廣泛的使用,但礦用車輛懸架主要是鋼板彈簧為主。井下充滿大量粉塵、煤粉和積水,工作路況差,支架搬運車輛又無相應(yīng)的減振隔振措施,座椅與車體形成剛性連接,行駛時地面產(chǎn)生的波動經(jīng)輪胎直接傳遞到座椅上,駕駛員長時間承受高強度的振動,極易產(chǎn)生疲勞,帶來安全生產(chǎn)隱患[1-3]。本文以框架車座椅為研究對象,通過構(gòu)建帶輔助氣室的空氣懸架來降低車身傳遞至座椅的振動,以提高駕駛員操作舒適性。

        1 框架車空氣懸架座椅結(jié)構(gòu)的分析

        輔助氣室空氣彈簧座椅系統(tǒng)如圖1所示,主要采用空氣彈簧、輔助氣室、節(jié)流閥、進氣孔和出氣孔來控制彈簧剛度及座椅阻尼值,使減振效果達到最佳[4]。帶輔助氣室的空氣懸架座椅可以提高駕駛員的舒適性,降低疲勞,提高行駛安全性。

        當座椅的支撐架受到來自車輛底盤的激勵時,空氣彈簧5和輔助氣室4間的氣體形成壓力差,壓力空氣將通過電子節(jié)流閥3流動,試圖保持兩者的壓力平衡,當空氣流過節(jié)流閥時,將受到阻力作用而產(chǎn)生阻尼衰減座椅的振動。當座椅的支撐架高度由于人體體重的變換而低于預(yù)定高度時,要求空氣彈簧進一步充氣,由控制單元2控制壓縮空氣通過輔助氣室進入空氣彈簧,同時控制單元2根據(jù)加速度傳感器1的加速度信號調(diào)節(jié)進氣速度,提高乘坐舒適感。相反,當座椅的支撐面高度高于預(yù)定高度時,通過控制單元2將空氣彈簧中的壓縮氣體流入輔助氣室,通過調(diào)節(jié)空氣彈簧及輔助氣室內(nèi)的氣體壓力,使座椅支撐板高度不隨駕駛員的體重變化而變化。

        1-加速度傳感器; 2-控制單元; 3-電子節(jié)流閥; 4-輔助氣室;5-空氣彈簧; 6-減振器。

        2 座椅的振動參數(shù)的選擇

        以WC80Y支架搬運車座椅為研究對象,針對該型號的座椅進行建模和振動分析。整車參數(shù)如表1所示。

        表1 WC80Y支架搬運車主要技術(shù)參數(shù)

        WC80Y支架搬運車座椅的振動特性參數(shù)主要包括剛度k和阻尼系數(shù)C,座椅懸架剛度k,決定它的固有頻率w0為:

        式中:k為座椅剛度;m為座椅懸架載荷質(zhì)量。

        阻尼C決定了相對阻尼系數(shù)ψ,即:

        通過推導(dǎo),其座椅的傳遞率為:

        式中:w為激勵圓頻率;w2y為座椅表面加速度;w2x為車身地板垂直加速度。

        3 空氣座椅懸架仿真模型的建立

        建立路面的激勵時域模型,如圖2(a)所示,在MATLAB/simulink中建立帶輔助氣室的空氣座椅懸架模型[5],如圖2(b)所示。

        (a) 路面激勵時域模型

        (b) 帶輔助氣室的空氣懸架座椅模型

        仿真時采用連續(xù)仿真步長為0.001 s,采樣時間為20 s,通過聯(lián)合仿真得到在車身地板位移曲線,如圖3所示。帶輔助氣室的空氣懸架座椅狀態(tài)下駕駛員承受的垂直垂直方向位移(即振幅),如圖4所示。

        圖3 車身地板位移曲線

        圖4 座椅垂直位移響應(yīng)曲線

        當系統(tǒng)接受到C級路面激勵后,支架搬運車車身底盤的最大振動位移為13 mm,經(jīng)輔助氣室空氣懸架后降低為5.4 mm,即輔助氣室的空氣懸架座椅有更好的減振性能,礦用支架搬運車的駕駛舒適性得到了明顯的改善。

        4 帶輔助氣室座椅系統(tǒng)的振動特性試驗

        在帶輔助氣室的空氣彈簧上方安裝一個可以承受不同載荷的平臺,供被測試者使用,其座椅測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。本次試驗中使用鐵塊來代替,通過實驗臺可以將需要的振動激勵,通過座椅底板傳遞到帶輔助氣室的空氣彈簧進行測試。

        圖5 座椅系統(tǒng)實驗

        在測試之前,給系統(tǒng)設(shè)定一個頻率為10 Hz,振幅為10 mm的偱環(huán)激勵,持續(xù)5~10 min使工作部件達到正常工作溫度。

        1) 在載荷為60 kg和90 kg狀態(tài)下,打開空氣開關(guān),將座椅調(diào)到平衡位置,關(guān)閉空氣開關(guān),使節(jié)流閥處于手動模式,通過旋轉(zhuǎn)節(jié)流閥按鈕,使節(jié)流閥的開度在10%、20%、30%、50%、70%、100%狀態(tài)下,將振動頻率由0.5 Hz逐漸增大到6 Hz,記錄節(jié)流閥各開度狀態(tài)下帶輔助氣室的空氣懸架座椅系統(tǒng)傳遞率隨頻率變化情況,如圖6所示。

        通過圖6(a)和圖6(b)對比分析可知,當座椅懸架的質(zhì)量增加后,座椅的振動傳遞率在各個開度狀態(tài)下都產(chǎn)生了明顯的增加;當節(jié)流閥開度調(diào)整為10%時,在60 kg狀態(tài)下共振點固有頻率點傳遞峰值為2.85左右,增加載荷后變?yōu)?.22左右,增大幅度為14.3%;當節(jié)流閥開度為最大開度時,在60 kg狀態(tài)下傳遞率峰值為1.52左右,在90 kg狀態(tài)下傳遞率峰值為1.72左右,增幅為13.3%。

        由圖6(b)可知,當振動頻率接近座椅固有頻率時會引起共振,產(chǎn)生傳遞率峰值。隨著節(jié)流閥開度的變化,共振頻率位置發(fā)生變化,故節(jié)流閥開度的改變會引起座椅懸架固有頻率的變化。

        (a) 體重為60 kg時的傳遞率

        (b) 體重為90 kg時的傳遞率

        5 結(jié)論

        本文設(shè)計的一種帶輔助氣室的空氣懸架來降低礦用支架搬運車地面?zhèn)鬟f至座椅的振動,通過模擬C級路面激勵進行仿真,得到了座椅垂直方向的位移和加速度曲線,結(jié)果表明:帶輔助氣室空氣懸架座椅具有更加顯著的減振性能,能夠獲得較理想的減振特性。

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