液壓挖掘機駕駛室振動測試與減振研究

王 飛，王道秋，劉 洋

（徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

液壓挖掘機整機系統結構復雜，作業(yè)條件惡劣、作業(yè)工況多樣，造成整機振動大，駕駛舒適性低，使得挖掘機駕駛員操作駕駛一段時間后感到疲勞，降低作業(yè)效率，同時對操作者的健康造成潛在的威脅。

近年來，國產品牌挖掘機的性能、質量等已達到或者接近外資品牌，但在駕駛舒適性、整機減震隔振等方面與外資品牌相比，仍然存在一定的差距。降低挖掘機作業(yè)的振動、改善操作人員的舒適性業(yè)已成為行業(yè)重點課題之一。

本文結合我司某型液壓挖掘機駕駛室懸置的優(yōu)化設計過程，探討駕駛室振動的控制措施，通過改進駕駛室的懸置的參數、個數、布置形式等措施，改善振動的傳遞路徑，最終達到降低駕駛室振動、改善駕駛員舒適性的目的。

1 挖掘機振動的特點

液壓挖掘機的振源主要來自發(fā)動機和外部激勵。發(fā)動機的振動主要是在工作中產生的燃燒激振源和不平衡慣性力引起振動，它的振動傳給機架，在機架中以彈性波的形式傳播，并引起安裝在機架上的其他零部件的振動，最終傳遞到駕駛室。外部激勵是指行走激勵和挖掘機作業(yè)過程中的工作裝置激勵，外部激勵最終通過下車架及上車架傳遞到駕駛室。雖然挖掘機主要的振源只有2個，但是主閥的溢流、液壓泵及液壓管路仍會產生振動，這些振動相互影響、相互作用，使振動的傳遞路徑更加復雜，給挖掘機振動的控制帶來諸多困難。

2 挖掘機振動測試方案

2.1 測試工況及測試點的選擇

液壓挖掘機的基本動作包括動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉臺回轉、整機行走。由5個基本動作進行單獨或組合操作能夠實現幾十種不同的動作。通過對挖掘機的作業(yè)及用戶的使用情況分析統計，確定4種基本的典型工況，結合CAE分析結果，選取駕駛室懸置減振前后支撐點作為測試點安裝傳感器。

2.2 測試系統構成

測試采用iOtech公司的Wave Book516E，配合WBK18振動測試模塊進行進行數據的采集，采樣頻率設為2 560H。測試系統組成如圖1。

挖掘機在工作過程中，加速度傳感器因振動產生電信號，信號分別經過WBK18動態(tài)振動調理模塊、Wave Book 516E數據采集主機，用筆記本電腦記錄加速度的時域變化情況，比例系數通過預先標定的加速度傳感器確定，使用Flex pro軟件對振動信號進行分析。

2.3 測試數據的分析處理

根據以上工況及采樣率等設定情況進行測試，測試后對測試數據的作如下處理。

a）計算駕駛室隔振前后振動加速度的有效值，計算方法為式中 arms—加速度有效值；

ai— 測試數據中第i個加速度值，i=1、2、3、…、n

b）計算駕駛室懸置系統的隔振率

式中 T—隔振率；

a前、α后—隔振前、后加速度的有效值。

c)對隔振后的頻譜進行分析，在Flex pro7.0中進行快速傅里葉變換（FFT），頻率分辨率設為1H，窗函數采用Hanning窗，時間重疊率為50%。

3 測試結果與分析

根據上述測試方案，對樣車及標桿車駕駛室振動進行測試，為了便于分析對比，對駕駛室左前置的測試數據進行處理，得到表1所列測試結果。

表1 原樣機與標桿機駕駛室懸置系統測試結果

對比測試數據可知：測試樣機在除怠速外的其它測試工況，加速度均方根值普遍高于標桿車，尤其在模擬挖掘工況下，兩車差異明顯。在發(fā)動機怠速和最高轉速的情況下，我司產品在振動加速度值及隔震率方面與標桿產品基本一致；但在模擬挖掘、行走等工況下，我司測試樣機的加速度均方根值加大，說明振動加劇，同時駕駛室減震器的隔震率也變差。為進一步分析研究樣機振動的變化情況，通過對比分析兩者頻譜圖（圖2、圖3），研究我司產品與標桿產品兩車振動的差異。

圖2 樣機最高轉速空載與最高轉速模擬挖掘頻譜對比

圖3 標桿機與樣機模擬挖掘對比圖

通過對比兩車最高轉速與模擬挖掘頻譜圖發(fā)現：在模擬挖掘工況下，我司樣機在低于150H時振動加速度增加明顯，并且分布在比較寬的頻段內，原因主要為工作裝置運動過程中帶動的車體振動；在154H、308H、615H等處出現窄帶信號，對于增加的頻段主要為發(fā)動機的9、18、36階附近振動，通過進一步分析，該階次的振動與液壓泵產生的激勵基本一致，表明此振動主要為液壓系統產生的激勵。通過對比標桿車輛的模擬挖掘頻譜圖發(fā)現，標桿產品總體振動較小，僅在40～100H振動相對較大，在40H以下、200H以上的隔振性能明顯優(yōu)于我司測試樣機。

4 駕駛室減振器改進

4.1 改進懸置參數

由上面分析可以發(fā)現，我司樣機與標桿的差距主要是在低頻和高頻處，考慮到低頻處振動由整個工作裝置、車架引起，高頻處振動主要由液壓系統引起，如果要改變整車結構件及液壓系統，則改動周期過長、人員精力投入大。為能夠盡快改善整車的舒適性，通過改進駕駛室的懸置系統，改變懸置參數，達到改變系統隔振率，解決駕駛室減振的問題。

根據測試及分析結果，結合實際條件，對液壓挖掘機樣車的懸置參數進行了如下一些改進，改進前后各參數如表2方案一所示。

表2 改進前后駕駛室懸置參數對比情況

改進后的懸置靜剛度未改變，動剛度變小，以期改善高頻的振動情況，使懸置的隔振效果更好；提高阻尼系數來降低低頻的振動；提高額定載荷下的共振頻率，避開在作業(yè)過程中低頻沖擊對駕駛室振動的影響。

在測試樣機上，試裝新的懸置樣件，并進行實車測試。通過與表1對比可知，改進后駕駛室的振動情況有了大幅的改善，在隔振后的振動加速度值均有不同程度改善，整體的隔振率提高，同時在模擬挖掘過程中有了大幅度的降低，從頻譜圖中更能直觀的看到安裝改進參數后的懸置的減振效果。

4.2 改變懸置個數及布置形式

駕駛室懸置的動剛度變小后，低頻隔振效果仍然不是十分理想。對懸置的安裝尺寸、底板的加工工藝進一步分析，低頻減振差可能是由于減震器個數較多過定位造成。因此，對駕駛室懸置的個數和懸置參數進行了進一步改進，減少了懸置的過定位情況。改進后的參數見表2方案二。

懸置的個數改變后，懸置的安裝位置及布置形式如圖4所示。

圖4 駕駛室懸置個數改變后的布置形式

對懸置進行改進后各點的振動進行測試，分析頻譜圖發(fā)現，在高頻情況下，振動相比之前略微變差，但是在對人體影響較大的低頻段振動幅值卻大幅度降低，從而一定程度地提高了整機的駕駛舒適性。

5 結 論

通過對挖掘機駕駛室減震器參數的合理改進優(yōu)化，改變懸置的數量及其布置形式，可實現改變懸置系統的動態(tài)特性，使其與液壓挖掘機駕駛室更加匹配，實現了隔振率的提高，對人體影響較大的低頻振動一定程度得到了改善，高頻范圍振動的幅值得到了降低。從而提高了駕駛舒適性。以后還需要從振源、車架，后期應對發(fā)動機減震器及其它液壓元件的減振進行優(yōu)化，達到進一步降低駕駛室的振動、提高駕駛員舒適性目的。

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