礦用車輛輔助氣室空氣懸架座椅振動仿真

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，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。