液壓挖掘機(jī)駕駛室振動測試與減振研究

王 飛，王道秋，劉 洋

（徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

液壓挖掘機(jī)整機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作業(yè)條件惡劣、作業(yè)工況多樣，造成整機(jī)振動大，駕駛舒適性低，使得挖掘機(jī)駕駛員操作駕駛一段時間后感到疲勞，降低作業(yè)效率，同時對操作者的健康造成潛在的威脅。

近年來，國產(chǎn)品牌挖掘機(jī)的性能、質(zhì)量等已達(dá)到或者接近外資品牌，但在駕駛舒適性、整機(jī)減震隔振等方面與外資品牌相比，仍然存在一定的差距。降低挖掘機(jī)作業(yè)的振動、改善操作人員的舒適性業(yè)已成為行業(yè)重點課題之一。

本文結(jié)合我司某型液壓挖掘機(jī)駕駛室懸置的優(yōu)化設(shè)計過程，探討駕駛室振動的控制措施，通過改進(jìn)駕駛室的懸置的參數(shù)、個數(shù)、布置形式等措施，改善振動的傳遞路徑，最終達(dá)到降低駕駛室振動、改善駕駛員舒適性的目的。

1 挖掘機(jī)振動的特點

液壓挖掘機(jī)的振源主要來自發(fā)動機(jī)和外部激勵。發(fā)動機(jī)的振動主要是在工作中產(chǎn)生的燃燒激振源和不平衡慣性力引起振動，它的振動傳給機(jī)架，在機(jī)架中以彈性波的形式傳播，并引起安裝在機(jī)架上的其他零部件的振動，最終傳遞到駕駛室。外部激勵是指行走激勵和挖掘機(jī)作業(yè)過程中的工作裝置激勵，外部激勵最終通過下車架及上車架傳遞到駕駛室。雖然挖掘機(jī)主要的振源只有2個，但是主閥的溢流、液壓泵及液壓管路仍會產(chǎn)生振動，這些振動相互影響、相互作用，使振動的傳遞路徑更加復(fù)雜，給挖掘機(jī)振動的控制帶來諸多困難。

2 挖掘機(jī)振動測試方案

2.1 測試工況及測試點的選擇

液壓挖掘機(jī)的基本動作包括動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走。由5個基本動作進(jìn)行單獨或組合操作能夠?qū)崿F(xiàn)幾十種不同的動作。通過對挖掘機(jī)的作業(yè)及用戶的使用情況分析統(tǒng)計，確定4種基本的典型工況，結(jié)合CAE分析結(jié)果，選取駕駛室懸置減振前后支撐點作為測試點安裝傳感器。

2.2 測試系統(tǒng)構(gòu)成

測試采用iOtech公司的Wave Book516E，配合WBK18振動測試模塊進(jìn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，采樣頻率設(shè)為2 560H。測試系統(tǒng)組成如圖1。

挖掘機(jī)在工作過程中，加速度傳感器因振動產(chǎn)生電信號，信號分別經(jīng)過WBK18動態(tài)振動調(diào)理模塊、Wave Book 516E數(shù)據(jù)采集主機(jī)，用筆記本電腦記錄加速度的時域變化情況，比例系數(shù)通過預(yù)先標(biāo)定的加速度傳感器確定，使用Flex pro軟件對振動信號進(jìn)行分析。

2.3 測試數(shù)據(jù)的分析處理

根據(jù)以上工況及采樣率等設(shè)定情況進(jìn)行測試，測試后對測試數(shù)據(jù)的作如下處理。

a）計算駕駛室隔振前后振動加速度的有效值，計算方法為式中 arms—加速度有效值；

ai— 測試數(shù)據(jù)中第i個加速度值，i=1、2、3、…、n

b）計算駕駛室懸置系統(tǒng)的隔振率

式中 T—隔振率；

a前、α后—隔振前、后加速度的有效值。

c)對隔振后的頻譜進(jìn)行分析，在Flex pro7.0中進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），頻率分辨率設(shè)為1H，窗函數(shù)采用Hanning窗，時間重疊率為50%。

3 測試結(jié)果與分析

根據(jù)上述測試方案，對樣車及標(biāo)桿車駕駛室振動進(jìn)行測試，為了便于分析對比，對駕駛室左前置的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到表1所列測試結(jié)果。

表1 原樣機(jī)與標(biāo)桿機(jī)駕駛室懸置系統(tǒng)測試結(jié)果

對比測試數(shù)據(jù)可知：測試樣機(jī)在除怠速外的其它測試工況，加速度均方根值普遍高于標(biāo)桿車，尤其在模擬挖掘工況下，兩車差異明顯。在發(fā)動機(jī)怠速和最高轉(zhuǎn)速的情況下，我司產(chǎn)品在振動加速度值及隔震率方面與標(biāo)桿產(chǎn)品基本一致；但在模擬挖掘、行走等工況下，我司測試樣機(jī)的加速度均方根值加大，說明振動加劇，同時駕駛室減震器的隔震率也變差。為進(jìn)一步分析研究樣機(jī)振動的變化情況，通過對比分析兩者頻譜圖（圖2、圖3），研究我司產(chǎn)品與標(biāo)桿產(chǎn)品兩車振動的差異。

圖2 樣機(jī)最高轉(zhuǎn)速空載與最高轉(zhuǎn)速模擬挖掘頻譜對比

圖3 標(biāo)桿機(jī)與樣機(jī)模擬挖掘?qū)Ρ葓D

通過對比兩車最高轉(zhuǎn)速與模擬挖掘頻譜圖發(fā)現(xiàn)：在模擬挖掘工況下，我司樣機(jī)在低于150H時振動加速度增加明顯，并且分布在比較寬的頻段內(nèi)，原因主要為工作裝置運(yùn)動過程中帶動的車體振動；在154H、308H、615H等處出現(xiàn)窄帶信號，對于增加的頻段主要為發(fā)動機(jī)的9、18、36階附近振動，通過進(jìn)一步分析，該階次的振動與液壓泵產(chǎn)生的激勵基本一致，表明此振動主要為液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的激勵。通過對比標(biāo)桿車輛的模擬挖掘頻譜圖發(fā)現(xiàn)，標(biāo)桿產(chǎn)品總體振動較小，僅在40～100H振動相對較大，在40H以下、200H以上的隔振性能明顯優(yōu)于我司測試樣機(jī)。

4 駕駛室減振器改進(jìn)

4.1 改進(jìn)懸置參數(shù)

由上面分析可以發(fā)現(xiàn)，我司樣機(jī)與標(biāo)桿的差距主要是在低頻和高頻處，考慮到低頻處振動由整個工作裝置、車架引起，高頻處振動主要由液壓系統(tǒng)引起，如果要改變整車結(jié)構(gòu)件及液壓系統(tǒng)，則改動周期過長、人員精力投入大。為能夠盡快改善整車的舒適性，通過改進(jìn)駕駛室的懸置系統(tǒng)，改變懸置參數(shù)，達(dá)到改變系統(tǒng)隔振率，解決駕駛室減振的問題。

根據(jù)測試及分析結(jié)果，結(jié)合實際條件，對液壓挖掘機(jī)樣車的懸置參數(shù)進(jìn)行了如下一些改進(jìn)，改進(jìn)前后各參數(shù)如表2方案一所示。

表2 改進(jìn)前后駕駛室懸置參數(shù)對比情況

改進(jìn)后的懸置靜剛度未改變，動剛度變小，以期改善高頻的振動情況，使懸置的隔振效果更好；提高阻尼系數(shù)來降低低頻的振動；提高額定載荷下的共振頻率，避開在作業(yè)過程中低頻沖擊對駕駛室振動的影響。

在測試樣機(jī)上，試裝新的懸置樣件，并進(jìn)行實車測試。通過與表1對比可知，改進(jìn)后駕駛室的振動情況有了大幅的改善，在隔振后的振動加速度值均有不同程度改善，整體的隔振率提高，同時在模擬挖掘過程中有了大幅度的降低，從頻譜圖中更能直觀的看到安裝改進(jìn)參數(shù)后的懸置的減振效果。

4.2 改變懸置個數(shù)及布置形式

駕駛室懸置的動剛度變小后，低頻隔振效果仍然不是十分理想。對懸置的安裝尺寸、底板的加工工藝進(jìn)一步分析，低頻減振差可能是由于減震器個數(shù)較多過定位造成。因此，對駕駛室懸置的個數(shù)和懸置參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，減少了懸置的過定位情況。改進(jìn)后的參數(shù)見表2方案二。

懸置的個數(shù)改變后，懸置的安裝位置及布置形式如圖4所示。

圖4 駕駛室懸置個數(shù)改變后的布置形式

對懸置進(jìn)行改進(jìn)后各點的振動進(jìn)行測試，分析頻譜圖發(fā)現(xiàn)，在高頻情況下，振動相比之前略微變差，但是在對人體影響較大的低頻段振動幅值卻大幅度降低，從而一定程度地提高了整機(jī)的駕駛舒適性。

5 結(jié) 論

通過對挖掘機(jī)駕駛室減震器參數(shù)的合理改進(jìn)優(yōu)化，改變懸置的數(shù)量及其布置形式，可實現(xiàn)改變懸置系統(tǒng)的動態(tài)特性，使其與液壓挖掘機(jī)駕駛室更加匹配，實現(xiàn)了隔振率的提高，對人體影響較大的低頻振動一定程度得到了改善，高頻范圍振動的幅值得到了降低。從而提高了駕駛舒適性。以后還需要從振源、車架，后期應(yīng)對發(fā)動機(jī)減震器及其它液壓元件的減振進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到進(jìn)一步降低駕駛室的振動、提高駕駛員舒適性目的。

[1] 杜明龍．工程機(jī)械駕駛室減振分析及研究[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2011．

[2] 張德滿，李舜酩，尚偉燕．工程機(jī)械機(jī)外噪聲聲源分析及降噪處理[J]．振動、測試與分析，2001，31(3)：362-365.

[3] 姜義林，李世偉，劉建美．隔振器在工程機(jī)械駕駛室噪聲控制中的應(yīng)用[J]．山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，19(5)：70-73.

[4] 張 瑞.工程機(jī)械駕駛室新材料與新工藝的應(yīng)用[J].工程機(jī)械，2012，43(4)：58-63．