某輪式車輛車姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)截止閥必要性分析

侯友山，孫曉光，陳宇，曹宇

(1. 中國北方車輛研究所，北京100072;2. 空軍氣象中心，北京100843)

某輪式車輛車姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)在油氣彈簧充放油口處分別安裝一個(gè)截止閥，設(shè)計(jì)初衷在于保證正常行車時(shí)隔離油氣彈簧與車姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)，防止車姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)不間斷地向油氣彈簧供油，從而實(shí)現(xiàn)定容積充油。但在每次調(diào)節(jié)車姿時(shí)，都需要事先將4 個(gè)截止閥手動(dòng)打開，給實(shí)際行車使用帶來不便。實(shí)際上，高速行駛中的車輛在越過障礙物時(shí)，油氣彈簧活塞桿會(huì)有個(gè)瞬間回縮的趨勢，無桿腔內(nèi)會(huì)瞬間產(chǎn)生較高壓力沖擊，懸掛振動(dòng)頻率計(jì)幅值越高，沖擊脈動(dòng)越嚴(yán)重，沖擊問題很容易導(dǎo)致軟管爆裂。文中建立了油氣彈簧－截止閥－ 液壓管路－ 液壓鎖的局部物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型［1－2］，并借助Simulink［3］建立了仿真模型，就上述局部物理系統(tǒng)的瞬間動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行仿真分析。

1 仿真模型

油氣彈簧－截止閥－液壓管路－液壓鎖局部物理模型如圖1 所示。

圖1 物理模型簡圖

參照參考文獻(xiàn)［4－5］，采用功率鍵合圖建模方法建立局部系統(tǒng)的鍵圖模型，如圖2 所示。圖2 中，液壓管路的模型采用分段集中參數(shù)建模方法，在此將管路分為3 段進(jìn)行建模。

圖2 鍵圖模型

圖2 中，v 為彈簧振動(dòng)速度，m/s;Ap為活塞面積，m2;Rf1、Rf2、Rf3為靜摩擦液阻，N·s/m5，層流時(shí)一般表達(dá)式為(ρ 為流體的密度，kg/m3;ν 為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s;l 為管路的長度，m;d 為管路的直徑，m);Rd1、Rd2、Rd3為動(dòng)摩擦液阻，N·s/m5，層流時(shí)一般表達(dá)式為Rd=1 304.987 (l/r)－0.6392Rf;Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3為管路液感，kg/m4，線性表達(dá)式為(ρ 為流體密度，kg/m3;l 為管路長度，m;A 為管道截面積，m2);C0、C1、C2、C3為液容，m5/N，其線性表達(dá)式為 C =為管壁彈性模量，Pa;Kf為流體體積彈性模量，Pa;因Ew＜＜Kf，文中忽略Ew的影響);Rr為液壓鎖端液阻，N·s/m5。

圖3 是在Simulink 里搭建的仿真模型。

圖3 仿真模型

2 實(shí)例仿真分析

為了定量分析行車過程中截止閥與油氣彈簧－截止閥－管路－液壓鎖局部系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)一步探討截止閥對于系統(tǒng)的必要性，下面以某輪式車輛車姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例進(jìn)行實(shí)例仿真分析。

某輪式車輛車姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)油氣彈簧－截止閥－管路－液壓鎖局部系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。將表1 數(shù)據(jù)代入到圖3 仿真模型中進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析。

表1 油氣彈簧－截止閥－管路－液壓鎖技術(shù)參數(shù)

圖4 是油氣彈簧－截止閥－管路－液壓鎖局部系統(tǒng)在0.33 Hz 振動(dòng)頻率下，彈簧內(nèi)部油液壓力波動(dòng)情況曲線圖。可看出:當(dāng)截止閥處于打開狀態(tài)時(shí)，在0.33 Hz 的振動(dòng)頻率下，油氣彈簧內(nèi)瞬間壓力波動(dòng)峰值達(dá)到40 MPa，經(jīng)過約0.01 s 后壓力穩(wěn)定在8.5 MPa。

從圖5 可以看出:油氣彈簧振動(dòng)頻率由0.33 Hz升至0.5 Hz 后，彈簧大腔內(nèi)壓力脈動(dòng)值迅速升高，脈動(dòng)峰值由40 MPa 突升至60 MPa，而管路的爆破壓力值為60 MPa 左右，所以脈動(dòng)峰值已經(jīng)基本達(dá)到管路的爆破壓力，極易造成管路爆破，影響行車安全。

圖4 壓力脈動(dòng)曲線

圖5 彈簧不同頻率下壓力脈動(dòng)對比曲線

實(shí)際上，某履帶車輛車姿液壓系統(tǒng)中的確曾出現(xiàn)過軟管爆破故障。從上述理論仿真來看:正常行車時(shí)，如果截止閥能夠關(guān)閉，截?cái)鄰椈蓛?nèi)壓力脈動(dòng)對管路的影響，完全可以避免管路的損壞。從這點(diǎn)來看，截止閥是完全必要的。此外，截止閥還有一個(gè)非常重要的作用，通過該截止閥可實(shí)現(xiàn)單輪單獨(dú)調(diào)節(jié)。行車過程中手動(dòng)調(diào)節(jié)車姿時(shí)，具體操作方法是調(diào)節(jié)某輪高度時(shí)，將其余三輪的截止閥關(guān)閉，按此方法分別對每個(gè)彈簧獨(dú)自調(diào)節(jié)。這進(jìn)一步說明，截止閥對于彈簧車姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)是非常必要的。

3 結(jié)論

建立了油氣彈簧－截止閥－液壓管路－液壓鎖局部系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并借助Simulink 建立了仿真模型，重點(diǎn)就彈簧不同振動(dòng)頻率下、管路內(nèi)壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明:活塞桿瞬間運(yùn)動(dòng)速度提高將會(huì)產(chǎn)生瞬間液壓沖擊，導(dǎo)致液壓管路內(nèi)有劇烈的壓力脈動(dòng)且脈動(dòng)峰值較大，且隨著振動(dòng)頻率的提高，內(nèi)部壓力脈動(dòng)峰值也大幅提高，該壓力脈動(dòng)峰值會(huì)影響油氣彈簧的性能及造成軟管的爆裂損壞，因此車姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)有必要保留此截止閥。

［1］任錦堂．鍵圖理論及應(yīng)用［M］．上海:上海交通大學(xué)出版社，1992．

［2］潘亞東．鍵合圖概論:一種系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法［M］．重慶:重慶大學(xué)出版社，1991．

［3］薛定宇．Matlab 語言精要及動(dòng)態(tài)仿真工具:Simulink［M］．西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998．

［4］李洪人，陳照弟．新的液壓管路分段集中參數(shù)鍵圖模型及其試驗(yàn)研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，36(3):61－64．

［5］侯友山，宋慧新，雷強(qiáng)順．某型號車姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)油液過熱問題探討［J］．液壓與氣動(dòng)，2012(11):61－64．