礦用無軌膠輪運輸車油氣懸架數學模型的研究

佟鋼 趙闖

摘要：礦山地下環境復雜，對其運輸車輛有著較高的要求，與傳統有軌運輸機械相比無軌膠輪車具有適應環境強、應用靈活和安全性高的特點。由于井下路面復雜，對無軌膠輪車的懸架系統的性能提出了更高的要求。因此為滿足井下對無軌膠輪車的要求，針對油氣懸掛進行研究對提高無軌膠輪車的穩定性和適用性有著特別重要的意義。

關鍵詞：無軌膠輪車;油氣懸掛系統

1.緒論

圖 1.1 礦用無軌膠輪車

目前井下無軌膠輪運輸車的懸架主要有鋼板彈簧、空氣彈簧和油氣彈簧三種形式。鋼板彈簧是由若干等寬長度大小不一的彈簧片組成。其原理類似于一彈性梁，具有結構簡單，成本低廉的優點。但減震性能長度大，大多在小載重車輛中使用。

空氣彈簧懸架是在特種橡膠囊中充入壓縮氣體，利用氣體的可壓縮性實現彈簧的功能。其具有減震柔和的特點，但是空氣彈簧的體積較大，增加了車輛的長度和寬度，加大了對井下巷道的要求，不利于對成本的控制。

油氣懸架是以蓄能器為彈性元件，以油液為傳力介質，以氣體為彈性介質的一種裝置。具有優良的減震特性，體積小?？梢栽诰赂鞣N工況下保證車輛的平順行駛。

2.油氣懸架

D.C. Karnopp與上世紀60年代末發明油氣減振器以來，經過多年的發展和完善，因其具有的高承載能力、較小的體積、較強的減震特性的特點，已得到廣泛的應用。

油氣懸架具有以下傳統式被動懸架不具有的優點：

①可以有效降低在井下各種工況下對車輪的沖擊。②保證車輛在一定速度下，在平坦或起伏路面上的良好的平順性。③當車架與車橋處于相對拉伸時油氣懸架阻尼系數隨之增大;當車架與車橋處于壓縮行程時，油氣懸架的阻尼系數隨之減小。④可對油氣懸架液壓缸進行高度調節。⑤通過切斷液壓元件的連接油路使得油氣懸架可剛性閉鎖，使車輛可以承受大載荷并以低速緩慢運行。⑥油氣懸架單位儲能比大且結構緊湊。⑦油氣懸架可通過軸載荷自調節功能實現防止單個懸架過載。

油氣懸架不僅存在上述的優點同時也有缺點：

①需提供較大的壓力，因此需要較強的密封和抗壓性能。②需要設置一些輔助設備，如充氣設備等。③油氣懸架的成本是傳動被動懸架的1.2-1.25倍左右。④在惡劣環境下易順壞，增加了后續維修的成本。

2.1油氣懸架的結構及工作原理

油氣懸架是以蓄能器為彈性元件，以油液為傳力介質，以氣體為彈性介質的一種裝置。其油氣懸架的物理模型如下圖2.1所示：油氣懸架的油缸分為A和B兩個腔室，在活塞桿內部設有一個空腔并且通過阻尼孔和單向閥與A、B兩個腔室相連。A腔通過一油管與蓄能器相連通。

1-缸筒 2-單向閥 3-活塞桿 4 阻尼孔5-蓄能器

圖2.1 油氣懸架的物理模型

活塞桿向下運動，單向閥開啟，受到了蓄能器因其內部氣體的彈性變形抑制了活塞桿的向下運動。

活塞桿向上運動時，單向閥關閉，油液通過阻尼孔流動，抑制了活塞桿的向上運動。

2.2油氣懸掛的數學建模

由油氣懸掛結構和工作原理建立數學模型，在建模時為簡化計算而做如下的假設：①假設該油氣懸掛中活塞、活塞桿與缸筒等部分是密封良好不泄露的;②在模型中不考慮由環境或內部運動導致的溫度的變化;③在模型中不考慮由于壓力的變化而導致的應力變形。④油氣懸掛中所含有的油液其體積彈性模量是一恒定。

2.2.1油缸的數學模型

假設缸筒是靜止不動的，活塞桿相對于缸筒進行運動，得到活塞桿的輸出力的方程：

其中P1、P2分別為A、B兩腔的壓力，單位Pa;A1、A2分別為A、B兩腔的橫截面積，單位m2;Ff為安放在其中的密封圈的摩擦力，單位是N。

油缸中流經單向閥以及阻尼孔和的流量與活塞桿運動速度：

式中 為油缸活塞桿運動速度，單位是m/s;V2為B腔的油液的體積，單位是m3;E為油液的彈性模量。B腔內初始的油液體積V20可表示為 ;

X為油缸活塞桿運動的位移，單位m。

2.2.2蓄能器的數學模型

假設蓄能器中的氣體氣壓不超過10MPa的氮氣，不考慮溫度對其造成的影響，可以得到如下方程：

式中P3、V3分別為蓄能器中氣體瞬時的氣壓和體積，單位為，MPa和m3;P30、V30分別為蓄能器中氣體的初始氣壓和體積，單位為，MPa和m3;r為氣體的變指數。蓄能器中氣體的瞬時體積V3與初始的體積V30有如下的關系：

蓄能器進出口與油液管路相連，因此在進出口處存在局部壓力損失，其壓力關系可表示為：

式中 為壓力損失系數，A3為進出口處的橫截面積，單位為m2; 為油液密度，單位為kg/m3;蓄能器的進出口流量可以由下式來表示： ，單位為m3/s。

3.結論

本文通過對油氣懸架的結構和工作原理的分析，建立了油氣懸架的物理模型和數學模型。通過該數學模型可以進行油氣懸架的動態特性的仿真以及對其進行優化設計。

參考文獻：

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