礦用無軌膠輪運輸車油氣懸架數(shù)學模型的研究

佟鋼 趙闖

摘要：礦山地下環(huán)境復雜，對其運輸車輛有著較高的要求，與傳統(tǒng)有軌運輸機械相比無軌膠輪車具有適應環(huán)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(tǒng)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(wěn)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(tǒng)

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(yōu)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(xiàn)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(zhì)，以氣體為彈性介質(zhì)的一種裝置。具有優(yōu)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(fā)明油氣減振器以來，經(jīng)過多年的發(fā)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(tǒng)式被動懸架不具有的優(yōu)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(shù)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(shù)隨之減小。④可對油氣懸架液壓缸進行高度調(diào)節(jié)。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(diào)節(jié)功能實現(xiàn)防止單個懸架過載。

油氣懸架不僅存在上述的優(yōu)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(huán)境下易順壞，增加了后續(xù)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(zhì)，以氣體為彈性介質(zhì)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(nèi)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(nèi)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(shù)學建模

由油氣懸掛結構和工作原理建立數(shù)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(huán)境或內(nèi)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(shù)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(jīng)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(nèi)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(shù)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(shù)。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(shù)，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(shù)學模型。通過該數(shù)學模型可以進行油氣懸架的動態(tài)特性的仿真以及對其進行優(yōu)化設計。

參考文獻：

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