李兆軍,黃鈺鈺,孫 穎,劉福秀,王玉江
(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)
柱塞泵是液壓挖掘機(jī)的重要組成部分,在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中常常伴隨著振動,是液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)的主要振動和噪聲來源,對液壓挖掘機(jī)振動性能有較大影響[1]。為了確保液壓挖掘機(jī)安全可靠運(yùn)行,有必要對柱塞泵壓力脈動對液壓挖掘機(jī)振動特性的影響進(jìn)行深入研究。目前,針對液壓挖掘機(jī)振動特性的研究主要從三方面展開:一是通過計算機(jī)仿真軟件來對液壓挖掘機(jī)進(jìn)行仿真分析,例如,WSZOLEK G[2]借助MATLAB對某型號挖掘機(jī)進(jìn)行建模,分析不同工況下整機(jī)動態(tài)特性,王文丙等[3]對挖掘機(jī)進(jìn)行聯(lián)合仿真,研究礦用挖掘機(jī)行走底架與履帶架聯(lián)接螺栓組在各工況下的振動特性;二是通過建立液壓挖掘機(jī)理論模型來進(jìn)行研究,俞松松等[4]對某挖掘機(jī)主泵的振動問題進(jìn)行了研究,并對主泵振動進(jìn)行對比測試,李佳宜等[5]對小型挖掘機(jī)駕駛室懸置系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行分析和優(yōu)化,并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證;三是通過試驗(yàn)測試的方法對液壓挖掘機(jī)的振動特性進(jìn)行研究,例如,東榮等[6]通過試驗(yàn)的方法,對液壓挖掘機(jī)駕駛室在5種不同工況下振動舒適性進(jìn)行對比分析,周利東等[7]、許星等[8]通過搭建模擬工作臺對斗桿動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行了研究。由于液壓泵自身就是一個復(fù)雜的振動系統(tǒng),因而有學(xué)者針對液壓泵的動力學(xué)特性問題進(jìn)行了較深入的研究。例如,權(quán)凌霄等[9-10]、胡連紅等[11]、郭長虹等[12]建立集總參數(shù)模型對柱塞泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性進(jìn)行分析;衛(wèi)東等[13]、GAO Peixin等[14]對液壓管路振動特性進(jìn)行分析和優(yōu)化,并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。然而相關(guān)研究均未考慮液壓泵壓力脈動對液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)振動特性的影響。
本研究以液壓挖掘機(jī)為研究對象,建立液壓挖掘機(jī)整機(jī)的動力學(xué)模型,揭示柱塞泵壓力脈動對液壓挖掘機(jī)振動特性的影響機(jī)理,并通過實(shí)例進(jìn)行分析和驗(yàn)證。
考慮到液壓挖掘機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,系統(tǒng)具有多樣性,為了在降低建模和運(yùn)算復(fù)雜程度的同時確保分析的準(zhǔn)確性,作如下簡化:
(1) 忽略振動傳遞各部件的彈性變形,考慮將挖掘機(jī)的發(fā)動機(jī)、柱塞泵、回轉(zhuǎn)平臺、駕駛室均簡化為剛體;
(2) 發(fā)動機(jī)減振裝置、液壓軟管、駕駛室減振裝置均簡化為彈簧阻尼元件;
(3) 將工作裝置、油箱以及配重塊等安裝在回轉(zhuǎn)平臺上的配件簡化成集中質(zhì)量附加于回轉(zhuǎn)平臺之上;
(4) 發(fā)動機(jī)是柱塞泵的直接動力來源,兩者通過聯(lián)軸器將泵軸和發(fā)動機(jī)主軸剛性連接,因而將發(fā)動機(jī)與柱塞泵當(dāng)做一個發(fā)動機(jī)-柱塞泵系統(tǒng);
(5) 發(fā)動機(jī)激勵只考慮其垂直方向的激振力以及繞橫軸轉(zhuǎn)動的激振力矩,柱塞泵激勵只考慮沿垂直方向的脈動壓力,路面不平度的激勵只考慮垂直方向上。
綜上,液壓挖掘機(jī)整機(jī)動力學(xué)模型如圖1所示。A為回轉(zhuǎn)平臺,B為發(fā)動機(jī)-柱塞泵系統(tǒng),C為駕駛室。力學(xué)模型的坐標(biāo)原點(diǎn)為整機(jī)質(zhì)心處,x軸為車體的前進(jìn)方向,y軸為車體的左右方向,z軸為垂直上下的方向??紤]液壓挖掘機(jī)的實(shí)際運(yùn)動,選取對液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)分析影響較大的自由度,忽略其他自由度對液壓挖掘機(jī)動態(tài)特性的影響,建立液壓挖掘機(jī)整機(jī)動力學(xué)模型。其中,對于回轉(zhuǎn)平臺A,考慮回轉(zhuǎn)平臺質(zhì)心處的垂向位移z1、繞質(zhì)心的側(cè)傾角θ1以及俯仰角φ1;對于發(fā)動機(jī)-柱塞泵系統(tǒng)B,考慮質(zhì)心處的垂向位移z2、繞系統(tǒng)質(zhì)心的側(cè)傾角θ2以及俯仰角φ2;對于駕駛室C,考慮質(zhì)心處的垂向位移z3、繞系統(tǒng)質(zhì)心的側(cè)傾角θ3以及俯仰角φ3。k1,k3和c1,c3分別為左、右導(dǎo)向輪對應(yīng)下履帶節(jié)與路面間的換算剛度和換算阻尼;k2,k4和c2,c4分別為左、右驅(qū)動輪對應(yīng)下履帶節(jié)與路面間的換算剛度和換算阻尼;ka和ca分別為支承輪對應(yīng)下履帶節(jié)與路面間的換算剛度和換算阻尼,根據(jù)文獻(xiàn)[15],左右履帶10個支承輪對應(yīng)下履帶節(jié)與路面間的換算剛度和換算阻尼均相同;ki和ci(i=5,6,7,8)分別為發(fā)動機(jī)減振裝置的剛度和阻尼;kj和cj(j=9,10,11,12)分別為駕駛室減振裝置的剛度和阻尼;k14和c14分別為液壓軟管等效換算剛度和阻尼。l1,l2分別為導(dǎo)向輪、驅(qū)動輪到車體質(zhì)心沿x軸的水平距離;l3,l4分別為左右導(dǎo)向輪、驅(qū)動輪和支承輪到車體質(zhì)心沿y軸的水平距離;l5,l6分別為發(fā)動機(jī)前、后減振裝置到發(fā)動機(jī)質(zhì)心沿x軸的水平距離;l7,l8分別為發(fā)動機(jī)左、右減振裝置到發(fā)動機(jī)質(zhì)心沿y軸的水平距離;l9,l10分別為駕駛室前、后減振裝置到駕駛室質(zhì)心沿x軸的水平距離;l11,l12分別為駕駛室左、右減振裝置到駕駛室質(zhì)心沿y軸的水平距離;l13,l14,l15,l16,l17分別為發(fā)動機(jī)前減振裝置、發(fā)動機(jī)后減振裝置、駕駛室后減振裝置、駕駛室前減振裝置、液壓軟管管夾到車體質(zhì)心沿x軸的水平距離。綜上可得,挖掘機(jī)整機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)模型的廣義坐標(biāo)向量為:
圖1 液壓挖掘機(jī)整機(jī)的力學(xué)模型
U=[z1φ1θ1z2φ2θ2z3φ3θ3]Τ
(1)
在圖1所示液壓挖掘機(jī)整機(jī)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,可根據(jù)拉格朗日方程建立液壓挖掘機(jī)整機(jī)的動力學(xué)方程:
(2)
圖2所示為挖掘機(jī)用柱塞泵結(jié)構(gòu)原理圖。AK為柱塞底面面積;R為柱塞分布圓半徑;β為柱塞泵斜盤傾角;φ是柱塞相對上死點(diǎn)轉(zhuǎn)過角度;ω為柱塞泵輸入軸角速度;vK,aK分別為柱塞在柱塞腔內(nèi)的運(yùn)動速度和加速度;F1為柱塞在柱塞腔內(nèi)受到的油液壓力;FK為柱塞滑靴受到斜盤提供的支反力;VK是進(jìn)入預(yù)升(卸)壓區(qū)柱塞腔被封閉的油液初始體積;ODC為柱塞泵上死點(diǎn)處;IDC為柱塞泵下死點(diǎn)處;v,a分別為柱塞繞泵軸轉(zhuǎn)動的速度和加速度。
圖2 挖掘機(jī)用柱塞泵結(jié)構(gòu)原理圖
忽略泄漏,柱塞泵第m個柱塞腔內(nèi)油液的瞬時壓力可表示為[16-17]:
(3)
式中,E——油液體積彈性模量
qm——柱塞泵流量
且:
VK=2AKRtanβ
(4)
qm=ωAKRtanβsin(ωt+φ)
(5)
其中,由于柱塞泵輸入軸與發(fā)動機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器相聯(lián),因而ω可表示為:
(6)
式中,n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。
分別將式(4)~式(6)代入式(3),并整理得:
(7)
由式(7)可得:
(8)
式中,pm0為積分常數(shù)。
假設(shè)柱塞泵有z個柱塞,柱塞間的角距為2π/z,則此時φ可表示為:
(9)
當(dāng)柱塞數(shù)為偶數(shù)時,則在排油區(qū)柱塞數(shù)為z/2,柱塞數(shù)為奇數(shù)時,排油區(qū)柱塞數(shù)為(z±1)/2。若柱塞數(shù)為偶數(shù),則柱塞泵在排油區(qū)壓力公式可表示為:
(10)
分別將式(8)、式(9)代入式(10),并整理得:
(11)
式中,
根據(jù)柱塞泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理可知,式(11)所表示的柱塞泵在排油區(qū)的壓力脈動為周期函數(shù),且周期可表示為:
將式(11)展開為傅里葉級數(shù),可得:
(12)
式中,B0,Bj,ψj均為傅里葉系數(shù)。
由式(12)可以看出,柱塞泵壓力脈動激勵頻率為:
(13)
顯然,由式(13)可知,柱塞泵壓力脈動激勵的基頻f1=zn/60為發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)頻f0=n/60的z倍。
液壓挖掘機(jī)所配置的發(fā)動機(jī)一般為往復(fù)四沖程內(nèi)燃機(jī)。對于該類型發(fā)動機(jī)而言,其對挖掘機(jī)振動產(chǎn)生主要影響的是二階往復(fù)慣性力及往復(fù)慣性力所引起的傾覆力矩。根據(jù)文獻(xiàn)[18],此二階不平衡慣性力Fw和橫向擺動的傾覆力矩Mw可表示為:
(14)
式中,mb為運(yùn)動部件質(zhì)量;R為曲柄半徑;λ為曲柄半徑與連桿長度之比;ωw為曲軸角速度,ωw=πn/30。
由式(14)可以看出,二階不平衡慣性力Fw和橫向擺動的傾覆力矩Mw的基頻fF2為:
(15)
式中,i,τ分別為發(fā)動機(jī)缸數(shù)和沖程數(shù),將ωw=πn/30代入式(15),并整理得:
(16)
顯然,直列四缸四沖程發(fā)動機(jī)的二階不平衡慣性力Fw和橫向擺動的傾覆力矩Mw的基頻fF2為該發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)頻f0=n/60的2倍。
液壓挖掘機(jī)一般為履帶式挖掘機(jī)。當(dāng)履帶式挖掘機(jī)行駛在不平路面上時,路面產(chǎn)生的激勵可表示為[19]:
s(t)=Z(v,t)
(17)
式中,函數(shù)Z(v,t)為路面不平度函數(shù);v為履帶式挖掘機(jī)行駛速度;t為履帶式挖掘機(jī)行駛時間。
一般路面的不平度激勵均為隨機(jī)過程,各種工程機(jī)械常用路面的主要激勵頻率分布值如表1所示。
表1 工程機(jī)械常用路面主要激勵頻率分布值 Hz
根據(jù)式(2),可得挖掘機(jī)系統(tǒng)的頻率方程:
(18)
根據(jù)式(18)即可求得挖掘機(jī)系統(tǒng)固有頻率ωa。然后,再將ωa代入:
(19)
即可求出系統(tǒng)的模態(tài)矢量A。
液壓挖掘機(jī)主要有4個常用工況,分別是定置怠速、定置回轉(zhuǎn)、定置工作以及行走,根據(jù)液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理,可知柱塞泵在不同工況工作情況不同。
當(dāng)液壓挖掘機(jī)處于定置怠速工況下,僅有發(fā)動機(jī)激勵、柱塞泵卸荷、激勵頻率發(fā)動機(jī)激勵經(jīng)過懸置元件將振動傳遞至回轉(zhuǎn)平臺,再通過減振元件將振動傳遞至駕駛室,柱塞泵不產(chǎn)生脈動壓力激勵,因而此時作用在液壓挖掘機(jī)主要為發(fā)動機(jī)激勵F2,即F=F2,將F=F2代入式(2)中,則得:
(20)
因而,在怠速定置工況下,可根據(jù)式(20)計算液壓挖掘機(jī)的動態(tài)響應(yīng),并在此基礎(chǔ)上分析液壓挖掘機(jī)的動態(tài)性能。
當(dāng)液壓挖掘機(jī)處于回轉(zhuǎn)平臺回轉(zhuǎn)或者工作裝置工作工況下,液壓挖掘機(jī)定置,發(fā)動機(jī)與柱塞泵同時工作,發(fā)動機(jī)激勵經(jīng)過懸置元件將振動傳遞至回轉(zhuǎn)平臺,柱塞泵產(chǎn)生的脈動壓力經(jīng)過軟管流經(jīng)回轉(zhuǎn)平臺傳遞至回轉(zhuǎn)馬達(dá)或者是工作液壓缸,二者共同影響整機(jī)的振動,也就是說,此時作用在液壓挖掘機(jī)的激勵主要包括柱塞泵壓力脈動激勵F1和發(fā)動機(jī)激勵F2,即F=F1+F2,將F=F1+F2代入式(2)中,則得:
(21)
因而,在回轉(zhuǎn)平臺回轉(zhuǎn)或者工作裝置工作工況下,可根據(jù)式(21)計算液壓挖掘機(jī)的動態(tài)響應(yīng),并在此基礎(chǔ)上分析液壓挖掘機(jī)的動態(tài)性能。
當(dāng)液壓挖掘機(jī)處于行走工況下,發(fā)動機(jī)激勵、柱塞泵激勵與路面激勵同時對整機(jī)振動產(chǎn)生影響,發(fā)動機(jī)激勵通過懸置元件將振動傳遞至回轉(zhuǎn)平臺,柱塞泵產(chǎn)生的油液壓力脈動通過管路經(jīng)由回轉(zhuǎn)平臺傳遞至行走馬達(dá),路面激勵通過履帶將振動傳遞至回轉(zhuǎn)平臺,再通過減振元件將振動傳遞至駕駛室,也就是說,此時作用在液壓挖掘機(jī)主要包括柱塞泵壓力脈動激勵F1、發(fā)動機(jī)激勵F2和路面激勵F3,即F=F1+F2+F3,將F=F1+F2+F3代入式(2)中,則得:
(22)
因而,在液壓挖掘機(jī)行走工況下,可根據(jù)式(22)計算液壓挖掘機(jī)的動態(tài)響應(yīng),并在此基礎(chǔ)上分析液壓挖掘機(jī)的動態(tài)性能。
當(dāng)液壓挖掘機(jī)處于定置回轉(zhuǎn)、定置工作以及行走等工況下,柱塞泵壓力脈動激勵將對液壓挖掘機(jī)動態(tài)性能產(chǎn)生影響,而當(dāng)液壓挖掘機(jī)處于定置怠速工況下,柱塞泵壓力脈動激勵較小,其對液壓挖掘機(jī)動態(tài)性的影響也較小,因而此時可不考慮其影響。
液壓挖掘機(jī)上激勵源眾多,以柱塞泵壓力脈動為振源的振動主要通過2種路徑向回轉(zhuǎn)平臺傳遞,傳遞路徑如圖3所示,路徑1:壓力脈動通過液壓軟管將振動傳遞至回轉(zhuǎn)平臺;路徑2:壓力脈動通過泵軸與發(fā)動機(jī)曲軸將振動傳遞至發(fā)動機(jī),再通過連接螺栓將振動傳遞至回轉(zhuǎn)平臺。
圖3 壓力脈動振動傳遞原理圖
試驗(yàn)對象為某6 t履帶式挖掘機(jī),該挖掘機(jī)搭載直列四缸四沖程發(fā)動機(jī),主泵采用10柱塞柱塞泵,額定壓力為24.5 MPa,排量為26.9 mL/r。
試驗(yàn)分為液壓挖掘機(jī)定置怠速工況和定置沖擊工況2組,分別在回轉(zhuǎn)平臺上分布采集測點(diǎn)18個,駕駛室上分布采集測點(diǎn)8個,對挖掘機(jī)的加速度響應(yīng)信號進(jìn)行測試。
需要指出的是,由于試驗(yàn)過程中測量儀器的安裝以及測量過程會造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)浮動,且受測試條件的限制,因而試驗(yàn)結(jié)果均會存在一定的誤差。目前,國內(nèi)外對于振動試驗(yàn)的誤差研究主要為籠統(tǒng)的定性表述,部分學(xué)者也通過測試結(jié)果與有限元模型計算結(jié)果進(jìn)行比較來評估測試系統(tǒng)的精度[20]。為了減少試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差,本試驗(yàn)中選用的是具有精度高、噪聲低、漂移小、質(zhì)量穩(wěn)定可靠和可三向測量的ICP三向加速度壓電式傳感器,同時,在測試時,使被測表面盡量保證光滑平整,且與所測振動方向垂直。
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,從數(shù)值仿真結(jié)果中求解出的挖掘機(jī)駕駛室模態(tài)與試驗(yàn)得到駕駛室模態(tài)結(jié)果對比如表2所示。在中低頻(小于20 Hz)范圍內(nèi),三階模態(tài)參數(shù)計算結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果相近,且兩者的固有頻率相對誤差均小于5%,在可接受范圍內(nèi)。這在一定程度上驗(yàn)證了所建立的挖掘機(jī)動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性以及挖掘機(jī)模態(tài)試驗(yàn)的可靠性。
根據(jù)液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理可知,柱塞泵中的壓力脈動是回轉(zhuǎn)平臺主要激振源之一,壓力脈動導(dǎo)致的振動是通過回轉(zhuǎn)平臺傳遞到其他部件的,因而回轉(zhuǎn)平臺的振動狀態(tài)能夠較全面地反映柱塞泵壓力脈動對整機(jī)振動狀態(tài)的影響。同時,為了比較準(zhǔn)確地分析和評價柱塞泵對液壓挖掘機(jī)振動特性的影響,并盡可能避免或減少振動傳遞過程中的信號失真,選取回轉(zhuǎn)平臺上靠近發(fā)動機(jī)和柱塞泵安裝位置的測點(diǎn)9的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,測點(diǎn)9的位置如圖4所示。
圖4 測點(diǎn)9位置示意圖
怠速工況時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1050 r/min,挖掘機(jī)處于定置狀態(tài),根據(jù)式(20)可知,此時液壓挖掘機(jī)主要受到發(fā)動機(jī)激勵F2的作用,經(jīng)式(16)計算可得到此時發(fā)動機(jī)的激勵頻率fF2=35 Hz。根據(jù)液壓挖掘機(jī)在怠速定置工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,得到回轉(zhuǎn)平臺靠近發(fā)動機(jī)-柱塞泵側(cè)測點(diǎn)9的加速度響應(yīng)時域圖和頻域圖,如圖5所示。
由圖5可以看出,回轉(zhuǎn)平臺在34.71 Hz頻率處產(chǎn)生較大振動,其頻率范圍與發(fā)動機(jī)激勵頻率相對應(yīng),可見,在定置怠速工況下,回轉(zhuǎn)平臺主要受到發(fā)動機(jī)激勵的影響,此時柱塞泵不工作,對挖掘機(jī)振動特性不產(chǎn)生影響。
圖5 n=1050 r/min測點(diǎn)9加速度響應(yīng)
在沖擊工況時,發(fā)動機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速在最大轉(zhuǎn)速2250 r/min范圍內(nèi)變動,呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài),而根據(jù)式(21)可知,此時液壓挖掘機(jī)同時受到柱塞泵壓力脈動激勵F1和發(fā)動機(jī)激勵F2的作用,經(jīng)式(16)計算可得此時發(fā)動機(jī)激勵頻率fF2=75 Hz,經(jīng)式(13)計算可得此時柱塞泵壓力脈動激勵的基頻為fF1=375 Hz。根據(jù)液壓挖掘機(jī)在定置沖擊工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,得到靠近發(fā)動機(jī)-柱塞泵側(cè)測點(diǎn)9的加速度響應(yīng)時域圖和頻域圖,如圖6所示。
圖6 n=2250 r/min測點(diǎn)9加速度響應(yīng)
由圖6可以看出,回轉(zhuǎn)平臺在73.23 Hz和373.48 Hz頻率附近產(chǎn)生較大振動,分別與發(fā)動機(jī)激勵頻率fF2和柱塞泵壓力脈動激勵頻率fF1相對應(yīng)??梢?,在定置工作工況下,柱塞泵壓力脈動激勵是液壓挖掘機(jī)主要激勵源之一,會對整機(jī)振動特性產(chǎn)生較大影響。
(1) 為了有效分析和揭示柱塞泵壓力脈動激勵對液壓挖掘機(jī)整機(jī)動態(tài)特性的影響,有必要建立包含發(fā)動機(jī)、柱塞泵、回轉(zhuǎn)平臺、駕駛室在內(nèi)的液壓挖掘機(jī)整機(jī)的動力學(xué)模型;
(2) 當(dāng)液壓挖掘機(jī)處于定置回轉(zhuǎn)、定置工作以及行走等工況下,柱塞泵壓力脈動激勵將對液壓挖掘機(jī)動態(tài)性能產(chǎn)生影響,當(dāng)柱塞泵有z個柱塞時,則其壓力脈動激勵的基頻為發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)頻的z倍;
(3) 當(dāng)液壓挖掘機(jī)處于定置怠速工況下,柱塞泵壓力脈動激勵較小,其對液壓挖掘機(jī)動態(tài)性的影響較小,因而此時可不考慮其影響。