德國xp1032起重機油氣懸掛系統(tǒng)建模與仿真

德國xp1032起重機油氣懸掛系統(tǒng)建模與仿真

傳統(tǒng)和現(xiàn)代中國常見的車輛懸浮液是由彈性源和衰減源組成的。例如，由鋼彈簧懸浮液和由鋼彈簧和橡膠組成的懸掛，可以減少相對平坦的道路和低速的駕駛速度。然而，由于鋼彈簧的線性特征，它對不平坦的道路，尤其是不友好的道路的適應(yīng)性較低，因此無法提高行駛速度，也無法調(diào)整車身高度。對于工程車輛，如坦克、裝甲、推進器、啟示車、，在中國，懸掛裝置非常重要。為了實現(xiàn)這一性能,油氣懸掛應(yīng)運而生。自60年代后期特·卡爾朋發(fā)明以來,已在國外(如德、英、美、日、法)得到廣泛的應(yīng)用。這是以油液傳遞壓力,用惰性氣體(通常為氮氣)作為彈性介質(zhì)的一種懸掛系統(tǒng),具有單位重量儲能比大、重量輕(相對于鋼板彈簧)、易于實現(xiàn)車身高度的調(diào)節(jié)和具有車輛行駛平順性、舒適性、操縱穩(wěn)定性好等特點。從大量文獻來看,國外技術(shù)比較全面,但無完整的技術(shù)參數(shù),國內(nèi)仍處于消化吸收引進階段,對這一系統(tǒng)的理論分析比較欠缺,試驗幾乎是空白,因而有必要對油氣懸掛系統(tǒng)展開深入的研究,為油氣懸掛的國產(chǎn)化提供可靠的理論和實踐依據(jù)。1在車輛運行過程中,懸架主要起彈性作用,油氣懸掛主要由懸掛缸和蓄能器及液壓控制元件組成,結(jié)構(gòu)如圖1。工作過程為當(dāng)液壓缸1與活塞8相對壓縮時(壓縮行程),液壓腔2中油液進入蓄能器9壓縮氣體,而蓄能器10中氣體膨脹把油液擠向內(nèi)環(huán)形腔6中并經(jīng)過單向閥4和阻尼孔3進入外環(huán)形腔5,此時懸架主要起彈性作用;而當(dāng)液壓缸1與活塞8相對拉伸時(復(fù)原行程),外環(huán)形腔5中油液經(jīng)過阻尼孔3進入內(nèi)環(huán)形腔6并進入蓄能器10壓縮氣體,而蓄能器9中氣體膨脹把油液擠向液壓腔2,此時懸架主要起阻尼作用。當(dāng)車輛行駛時,路面起伏引起活塞在液壓缸內(nèi)上下運動,這樣使內(nèi)環(huán)形腔和外環(huán)形腔內(nèi)的油液在壓差的作用下往復(fù)地通過阻尼孔和單向閥,具有壓差的油液流過阻尼孔和單向閥時消耗能量、衰減汽車的振動,蓄能器內(nèi)高壓氮氣的彈性變形能減輕地面對車輛的沖擊。7為油氣懸掛外罩。2中心孔尺寸影響根據(jù)圖1可建立單自由度油氣懸掛物理模型,如圖2,液壓腔與活塞中心孔及右蓄能器相通,因中心孔直徑較大(20mm)且較短(300mm)故可忽略沿程損失和局部阻力損失,可把液壓腔與中心孔內(nèi)油液壓力看成相等,忽略庫侖摩擦。設(shè)定液壓缸的位移相對于平衡位置向下為“+”,向上為“-”,相應(yīng)的速度以復(fù)原行程為“+”,壓縮行程為“-”。(1)外環(huán)形腔壓力f活塞頂端受力為F,向上為“+”,向下為“-”,則F=p2A2-p1A1(1)式中:p1—液壓腔壓力(Pa);p2—外環(huán)形腔壓力(Pa);A1—液壓腔面積(m2);A2—外環(huán)形面積(m2)。(2)油液壓縮性參數(shù)根據(jù)薄壁小孔理論有:p2-p3=12ρ(Q1Cd[A01+A02(12-12sign(˙x))])2sign(˙x)(2)p2?p3=12ρ(Q1Cd[A01+A02(12?12sign(x˙))])2sign(x˙)(2)式中:p3—內(nèi)環(huán)形腔壓力(Pa);Sign(˙x)—符號函數(shù);ρ—油液密度(kg/m3);Q1—通過阻尼孔和單向閥的流量(m3/s);A01—阻尼孔面積(m2);A02—單向閥面積(m2);Cd—流量系數(shù);˙x—激振信號的速度(m/s)?？紤]油液壓縮性有ΔV2=V20dp2βe(3)ΔV3=V30dp3βe(4)式中:ΔV2—外環(huán)形腔油液壓縮量(m3/s);ΔV3—內(nèi)環(huán)形腔油液壓縮量(m3/s);V20—外環(huán)形腔油液體積量(m3);V30—內(nèi)環(huán)形腔油液體積量(m3);βe—油液壓縮系數(shù);dp2—外環(huán)形腔油液壓力變化量(Pa);dp3—內(nèi)環(huán)形腔油液壓力變化量(Pa)。流過阻尼孔和單向閥的流量為Q1=A2˙x-V20dp2βedt-V30dp3βedt(5)(3)氣體特性分析pLVLr=pLsVLsr(6)式中:pL、VL—左蓄能器內(nèi)氣體瞬時壓力(Pa)和體積(m3);pLs、VLs—左蓄能器內(nèi)氣體平衡位置時壓力(Pa)和體積(m3);r—氣體多變指數(shù)。對左蓄能器內(nèi)氣體瞬時體積考慮油液壓縮性和活塞位移有VL=VLs-A2x+ΔV2+ΔV3(7)不考慮油管沿程損失,對左蓄能器出口有p3-pL=12ρζ(Q1Aa)2sign(˙x)(8)式中:ζ—蓄能器出口局部阻力系數(shù);Aa—蓄能器出口截面積(m2)。(4)液壓腔油液壓縮量的計算prVrr=prsVrsr(9)式中:prs、Vrs—右蓄能器內(nèi)氣體平衡位置時壓力(Pa)和體積(m3);pr、Vr—右蓄能器內(nèi)氣體瞬時壓力(Pa)和體積(m3)?？紤]油液壓縮性則液壓腔油液的壓縮量為:ΔV1=V10dp1βe(10)式中:V10—液壓腔油液體積量(m3);dp1—液壓腔腔油液壓力變化量(Pa)。右蓄能器瞬時體積為Vr=Vrs+A1x+ΔV1(11)通過蓄能器出口處油液的流量Q2為Q2=A1˙x+ΔV1dt(12)不考慮油管沿程損失,對右蓄能器出口有pr-p1=12ζρ(Q2Aa)2sign(˙x)(13)式(1)～(13)即為所建立的油氣懸掛數(shù)學(xué)模型。可以看出是比較復(fù)雜的,難以確定力F與位移及速度的直接解析式,應(yīng)用該模型可分析油氣懸掛的剛度特性、阻尼特性、頻率特性,從而可以分析車輛的舒適性、平順性等性能。3原油懸浮試驗和計算機模擬(1)專用單缸油氣懸掛試驗臺為了說明上述數(shù)學(xué)模型的正確性,需要對油氣懸掛進行試驗,本文將根據(jù)油氣懸掛的性能研究要求,設(shè)計專用單缸試驗臺架,懸掛油缸采用德國Leibherr公司提供的有關(guān)圖紙進行設(shè)計并進行試制生產(chǎn),設(shè)計高度可調(diào)的油氣懸掛試驗臺,并能適用于多種懸掛試驗,具有一定的通用性,采用電液伺服控制的作動器,試驗設(shè)備全套采用德國Schenck公司的設(shè)備。該套設(shè)備可實時產(chǎn)生正弦波,隨機波等各種頻率和幅值的輸入信號,進行位移,力或應(yīng)力控制,采用S59數(shù)字控制設(shè)備和VAX工作站進行控制和記錄。該裝置是目前國內(nèi)工程機械行業(yè)及重型車輛行業(yè)可試驗數(shù)量及噸位最大的整車道路模擬試驗臺。試驗方法將按照國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)以及性能研究的要求制定試驗大綱,測量信號包括油壓、氣壓、加速度、位移信號、輸出力信號等。圖3表示了專用單缸油氣懸掛試驗臺結(jié)構(gòu)原理圖,整個試驗臺架設(shè)計成門型結(jié)構(gòu),門架安裝在T型鋼板平臺上,門架采用工字梁結(jié)構(gòu),抗彎能力強,圖中1是門架上梁,為了保證試驗的精度,剛度做得足夠大,可以認為是剛性件;2是力傳感器,用于測量懸掛油缸的輸出力變化;3是被試懸掛油缸;4是Schenck公司的液壓伺服作動器,作動器被連接在T型平臺上;5是包括泵站、控制器、VAX工作站以及各種控制功能的硬件設(shè)備和軟件設(shè)備;蓄能器6和7分別通過管道與懸掛缸相連;蓄能器內(nèi)充上氮氣。其它測量元件包括懸掛缸油壓力傳感器8,蓄能器氣壓力傳感器9,加速度傳感器10,液壓伺服作動器4內(nèi)裝位移傳感器。各傳感器信號直接連到VAX工作站上。VAX工作站對控制器、作動器進行控制和數(shù)據(jù)記錄。(2)激振信號仿真分析以德國CXP1032起重機油氣懸掛為試驗對象,以其原始參數(shù)作為計算機仿真輸入對象,激振信號以頻率從低頻到高頻分別為f=0.1Hz、3Hz、9Hz,相應(yīng)振幅從高幅到微幅分別為A=30mm、10mm、5mm的正弦波為例,應(yīng)用MATLAB5.3/SIMULINK3.0,得出活塞桿受的力F與激振信號的位移、速度的關(guān)系如圖4～圖9,圖中,實線為仿真曲線,圓圈線為試驗曲線。從圖中可以看出試驗結(jié)果與計算機仿真結(jié)果基本上相吻合,對其它不同頻率不同振幅的激振信號進行試驗和計算機仿真結(jié)果也類似,這說明上述建立的數(shù)學(xué)模型是基本正確的。4激振頻率對原采過程阻尼力的影響活塞頂端受力F由彈性力和阻尼力構(gòu)成。圖4～圖6是在不同激振頻率下,力F與液壓缸位移的關(guān)系曲線,可以看出,在低頻時(如圖1),力F在復(fù)原行程和壓縮行程基本相重合,說明此時阻尼力很小,隨著激振頻率的增大,則力F在復(fù)原行程和壓縮行程不重合且復(fù)原行程變化大、壓縮行程變化小,其包含的面積越來越大(如圖2、圖3),說明隨著激振頻率的增大,阻尼作用越來越明顯。從圖7～圖9可以看出,力F與液壓缸速度的變化關(guān)系,隨著激振頻率的增大,復(fù)原行程的阻尼力影響明顯高于壓縮行程。從圖4～圖9也可以看出力F與位移和速度的關(guān)系均為非線性關(guān)系,說明油氣懸掛的剛度和阻尼都具有非線性特性,對高頻激振信號具有更好的阻尼作用。5數(shù)學(xué)模型的非線性(1)以德國CXP103起重機油氣懸掛為研究對象,仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本相吻合,為油氣懸掛的國產(chǎn)化提供可靠的理論和實踐依據(jù)。(2)油氣懸掛的數(shù)學(xué)模型具有復(fù)雜的非線性特征,從而可以肯定其剛度特性、阻尼