某輪式車輛車姿調節系統截止閥必要性分析

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)

某輪式車輛車姿調節系統在油氣彈簧充放油口處分別安裝一個截止閥，設計初衷在于保證正常行車時隔離油氣彈簧與車姿調節系統，防止車姿調節系統不間斷地向油氣彈簧供油，從而實現定容積充油。但在每次調節車姿時，都需要事先將4 個截止閥手動打開，給實際行車使用帶來不便。實際上，高速行駛中的車輛在越過障礙物時，油氣彈簧活塞桿會有個瞬間回縮的趨勢，無桿腔內會瞬間產生較高壓力沖擊，懸掛振動頻率計幅值越高，沖擊脈動越嚴重，沖擊問題很容易導致軟管爆裂。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的數學模型［1－2］，并借助Simulink［3］建立了仿真模型，就上述局部物理系統的瞬間動態響應情況進行仿真分析。

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［4－5］，采用功率鍵合圖建模方法建立局部系統的鍵圖模型，如圖2 所示。圖2 中，液壓管路的模型采用分段集中參數建模方法，在此將管路分為3 段進行建模。

圖2 鍵圖模型

圖2 中，v 為彈簧振動速度，m/s;Ap為活塞面積，m2;Rf1、Rf2、Rf3為靜摩擦液阻，N·s/m5，層流時一般表達式為(ρ 為流體的密度，kg/m3;ν 為流體的運動黏度，m2/s;l 為管路的長度，m;d 為管路的直徑，m);Rd1、Rd2、Rd3為動摩擦液阻，N·s/m5，層流時一般表達式為Rd=1 304.987 (l/r)－0.6392Rf;Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3為管路液感，kg/m4，線性表達式為(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－液壓鎖局部系統的動態特性，進一步探討截止閥對于系統的必要性，下面以某輪式車輛車姿調節系統為例進行實例仿真分析。

某輪式車輛車姿調節系統油氣彈簧－截止閥－管路－液壓鎖局部系統相關技術參數如表1 所示。將表1 數據代入到圖3 仿真模型中進行系統動態仿真分析。

表1 油氣彈簧－截止閥－管路－液壓鎖技術參數

圖4 是油氣彈簧－截止閥－管路－液壓鎖局部系統在0.33 Hz 振動頻率下，彈簧內部油液壓力波動情況曲線圖。可看出:當截止閥處于打開狀態時，在0.33 Hz 的振動頻率下，油氣彈簧內瞬間壓力波動峰值達到40 MPa，經過約0.01 s 后壓力穩定在8.5 MPa。

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

圖4 壓力脈動曲線

圖5 彈簧不同頻率下壓力脈動對比曲線

實際上，某履帶車輛車姿液壓系統中的確曾出現過軟管爆破故障。從上述理論仿真來看:正常行車時，如果截止閥能夠關閉，截斷彈簧內壓力脈動對管路的影響，完全可以避免管路的損壞。從這點來看，截止閥是完全必要的。此外，截止閥還有一個非常重要的作用，通過該截止閥可實現單輪單獨調節。行車過程中手動調節車姿時，具體操作方法是調節某輪高度時，將其余三輪的截止閥關閉，按此方法分別對每個彈簧獨自調節。這進一步說明，截止閥對于彈簧車姿調節系統是非常必要的。

3 結論

建立了油氣彈簧－截止閥－液壓管路－液壓鎖局部系統的數學模型，并借助Simulink 建立了仿真模型，重點就彈簧不同振動頻率下、管路內壓力脈動情況進行了仿真分析。仿真結果表明:活塞桿瞬間運動速度提高將會產生瞬間液壓沖擊，導致液壓管路內有劇烈的壓力脈動且脈動峰值較大，且隨著振動頻率的提高，內部壓力脈動峰值也大幅提高，該壓力脈動峰值會影響油氣彈簧的性能及造成軟管的爆裂損壞，因此車姿調節系統有必要保留此截止閥。

［1］任錦堂．鍵圖理論及應用［M］．上海:上海交通大學出版社，1992．

［2］潘亞東．鍵合圖概論:一種系統動力學方法［M］．重慶:重慶大學出版社，1991．

［3］薛定宇．Matlab 語言精要及動態仿真工具:Simulink［M］．西安:西北工業大學出版社，1998．

［4］李洪人，陳照弟．新的液壓管路分段集中參數鍵圖模型及其試驗研究［J］．機械工程學報，2000，36(3):61－64．

［5］侯友山，宋慧新，雷強順．某型號車姿調節系統油液過熱問題探討［J］．液壓與氣動，2012(11):61－64．