基于amesim的油氣懸掛缸性能研究

油氣懸浮液是集彈性元件和減振源于一體的懸掛系統。由于它的可變剛性和衰減特性，車輛高度可以自由調整，使車輛盡可能滿足各種復雜道路的平滑要求，并在重型采礦自洗車等工程車輛中得到廣泛應用。懸掛系統中油氣懸掛缸的輸出力特性、剛度特性和阻尼特性對車輛的動力學性能有著重要的影響,這就使得借助仿真和試驗對油氣懸掛缸工作特性進行分析和預測變得尤為重要。目前,國內重載礦用自卸車的載重量越來越大,對其所使用的油氣懸掛缸的性能要求也越來越高,但對大型油氣懸掛缸的試驗研究很少。本文針對某型220t級重載礦用自卸車用油氣懸掛缸,通過理論分析、AMEsim仿真和試驗的方法對其工作特性進行研究。1單氣室油氣不分隔式油氣懸掛缸根據工作原理,油氣懸掛缸可以分為單氣室油氣懸掛缸、雙氣室油氣懸掛缸以及帶反壓力氣室油氣懸掛缸3種。單氣室油氣懸掛缸又可以分為油氣分隔式和油氣不分隔式油氣懸掛缸兩種。單氣室油氣不分隔式油氣懸掛缸結構簡圖見圖1,主要由桿筒和缸筒兩大組件構成,二者內腔相通,腔內充有油液,油液面與缸筒上部之間充有一定量(體積)的氮氣,作為彈性介質,氮氣與油液直接接觸;缸筒內壁和桿筒外壁圍成一個環形腔,環形腔通過兩個單向閥和兩個阻尼孔與內腔相通。單氣室油氣不分隔式油氣懸掛缸由于結構簡單,在大型自卸車上得到了廣泛應用,本文即以此種油氣懸掛缸作為研究對象。單氣室油氣不分隔式油氣懸掛缸(以下簡稱油氣懸掛缸)的工作原理:在壓縮行程中,桿筒和缸筒內腔中的氣體被壓縮,氣體壓力增大,迫使油液通過阻尼孔和單向閥流進環形腔;在拉伸行程中,氣體膨脹,氣體壓力減小,單向閥關閉,油液僅通過阻尼孔由環形腔流回桿筒和缸筒內腔。在桿筒與缸筒的相對往復運動中,氣體不斷地被壓縮和膨脹,不斷地儲存能量和釋放能量,類似于彈簧作用;油液則不斷地通過阻尼孔流進或流出,形成阻尼作用。所以,油氣懸掛缸具有彈性和阻尼兩種特性。2原油懸浮液的數學模型2.1正方向—油氣懸掛缸輸出力方程以壓縮行程為例,建立油氣懸掛缸的數學模型。取激勵信號向上為正方向,以缸筒為研究對象進行受力分析,則輸出力F可表示為:式中:p1——氣體壓力;p2——環形腔內油壓;A1——桿筒截面積;A2——環形腔截面積;Ff——桿筒與缸筒內壁間的摩擦力。2.2阻尼孔流量系數sdcs由于油氣懸掛缸的阻尼孔和單向閥的節流孔長徑比l/d<0.5,均為薄壁孔口,則流經阻尼孔和單向閥的流量方程為:式中:Cz——阻尼孔流量系數;Cd——單向閥孔口流量系數;Az——阻尼孔孔口節流面積;Ad——單向閥孔口節流面積;Δp——孔口前后壓差;ρ——油液密度;sign(x)——符號函數,在壓縮行程中,單向閥與阻尼孔同時開啟,sign(x)=1;在拉伸行程中,單向閥關閉,阻尼孔開啟,sign(x)=-1。2.3初始透氣性模型油氣懸掛缸內氣體為氮氣,其性質與理想氣體接近,氣體狀態變化可由如下方程描述:式中:PC0——初始充氣壓力;VC0——初始充氣體積;PC——氣體壓力;VC——氣體體積;n——氣體多變指數。由于氣體在一個加載周期內處于等溫和絕熱過程之間,根據文獻建議,取n=1.3。3油壓機的模擬測試3.1壓力和容積根據油氣懸掛缸的具體結構,利用AMESim軟件建立其仿真模型,如圖2所示。油氣懸掛缸的桿筒和缸筒采用兩個BRP18模塊,上模塊活塞代表油氣懸掛缸內腔,下模塊活塞代表環形腔;采用一個蓄能器來模擬封閉氣體容積;兩個單向閥和兩個節流口分別選用液壓庫中的CV002模塊和OR000模塊進行仿真。主要仿真參數見表1。3.2油氣懸掛缸動態特性為了便于與試驗結果進行對比,設定輸入信號為頻率0.25Hz,振幅為108mm的正弦波,仿真時間10s,模擬油氣懸掛缸在滿載工況下的性能。運行仿真模型后,得到其輸出力特性曲線和位移特性曲線如圖3和圖4中實線所示。由仿真結果可以看出,油氣懸掛缸的輸出力隨著時間和位移非線性變化。3.3氣體體積和阻尼孔直徑對輸出力的影響根據油氣懸掛缸的數學模型可知,氣體體積和阻尼孔直徑等因素會直接影響氣體彈性力和油液阻尼力的大小。針對上述AMESim仿真模型,利用批處理技術,保持加載條件一致,可計算氣體體積和阻尼孔直徑兩個參數對油氣懸掛缸輸出力的影響,分別繪出輸出力-位移特性曲線,如圖5、圖6所示。通過圖5、圖6可以看出,氣體體積對于油氣懸掛缸的輸出力有著很大的影響,直接影響著懸掛系統的剛度,對車輛的動力學性能有著很大影響;阻尼孔直徑同樣影響油氣懸掛缸的輸出力,孔徑越小阻尼力越大。4油懸浮設備的性能試驗4.1油氣懸掛缸試驗以及性能測試為了保證重載礦用自卸車的動力學性能,驗證所設計的油氣懸掛缸是否滿足設計要求,以及所建立油氣懸掛缸模型的正確性,在完成油氣懸掛缸制造之后,進行了油氣懸掛缸試驗以及滿載工況下的性能測試。4.2加載液壓缸試驗針對試驗油氣懸掛缸,設計了專門的試驗臺架,如圖7所示,油氣懸掛缸垂直安裝,試驗臺架上部為加載液壓缸。加載液壓缸通過一個加載頭與油氣懸掛缸的缸筒相接。油氣懸掛缸輸出力的測量借助于其內置的壓力傳感器完成,位移測量采用外置的位移傳感器完成。試驗前按照設計要求完成懸掛缸的充油以及充氣(氮氣)工作。由計算機通過數據采集卡完成對壓力和位移傳感器信息的測量與記錄。4.3油氣懸掛缸試驗分析試驗模擬重載礦用自卸車的滿載工況。先采用加載液壓缸將油氣懸掛缸壓縮至滿載位置,再在此位置施加最大頻率為0.25Hz、振幅為108mm的正弦激勵信號。采集油氣懸掛缸壓力信號和位移信號,試驗結果如圖3、圖4中虛線所示。通過對試驗結果與仿真結果進行對比分析,可以看出,油氣懸掛缸的最大和最小輸出力數值基本一致;通過對曲線進行擬合和計算,最大誤差不超過5%。另外發現,由于單向閥開啟過程的影響,換向過程中出現擾動,因此,實際生產中應注意單向閥的裝配檢查。降低加載頻率進行試驗,得出的試驗結果在幅值上與上述試驗結果基本一致。試驗結果表明,油氣懸掛缸達到了設計要求,試驗結果也驗證了AMESim仿真模型的正確性和有效性。5關鍵參數對油氣懸掛缸性能的影響本文針對重載礦用自卸車的油氣懸掛