矿用无轨胶轮运输车油气悬架数学模型的研究

佟钢 赵闯

摘要：矿山地下环境复杂，对其运输车辆有着较高的要求，与传统有轨运输机械相比无轨胶轮车具有适应环境强、应用灵活和安全性高的特点。由于井下路面复杂，对无轨胶轮车的悬架系统的性能提出了更高的要求。因此为满足井下对无轨胶轮车的要求，针对油气悬挂进行研究对提高无轨胶轮车的稳定性和适用性有着特别重要的意义。

关键词：无轨胶轮车;油气悬挂系统

1.绪论

图 1.1 矿用无轨胶轮车

目前井下无轨胶轮运输车的悬架主要有钢板弹簧、空气弹簧和油气弹簧三种形式。钢板弹簧是由若干等宽长度大小不一的弹簧片组成。其原理类似于一弹性梁，具有结构简单，成本低廉的优点。但减震性能长度大，大多在小载重车辆中使用。

空气弹簧悬架是在特种橡胶囊中充入压缩气体，利用气体的可压缩性实现弹簧的功能。其具有减震柔和的特点，但是空气弹簧的体积较大，增加了车辆的长度和宽度，加大了对井下巷道的要求，不利于对成本的控制。

油气悬架是以蓄能器为弹性元件，以油液为传力介质，以气体为弹性介质的一种装置。具有优良的减震特性，体积小。可以在井下各种工况下保证车辆的平顺行驶。

2.油气悬架

D.C. Karnopp与上世纪60年代末发明油气减振器以来，经过多年的发展和完善，因其具有的高承载能力、较小的体积、较强的减震特性的特点，已得到广泛的应用。

油气悬架具有以下传统式被动悬架不具有的优点：

①可以有效降低在井下各种工况下对车轮的冲击。②保证车辆在一定速度下，在平坦或起伏路面上的良好的平顺性。③当车架与车桥处于相对拉伸时油气悬架阻尼系数随之增大;当车架与车桥处于压缩行程时，油气悬架的阻尼系数随之减小。④可对油气悬架液压缸进行高度调节。⑤通过切断液压元件的连接油路使得油气悬架可刚性闭锁，使车辆可以承受大载荷并以低速缓慢运行。⑥油气悬架单位储能比大且结构紧凑。⑦油气悬架可通过轴载荷自调节功能实现防止单个悬架过载。

油气悬架不仅存在上述的优点同时也有缺点：

①需提供较大的压力，因此需要较强的密封和抗压性能。②需要设置一些辅助设备，如充气设备等。③油气悬架的成本是传动被动悬架的1.2-1.25倍左右。④在恶劣环境下易顺坏，增加了后续维修的成本。

2.1油气悬架的结构及工作原理

油气悬架是以蓄能器为弹性元件，以油液为传力介质，以气体为弹性介质的一种装置。其油气悬架的物理模型如下图2.1所示：油气悬架的油缸分为A和B两个腔室，在活塞杆内部设有一个空腔并且通过阻尼孔和单向阀与A、B两个腔室相连。A腔通过一油管与蓄能器相连通。

1-缸筒 2-单向阀 3-活塞杆 4 阻尼孔5-蓄能器

图2.1 油气悬架的物理模型

活塞杆向下运动，单向阀开启，受到了蓄能器因其内部气体的弹性变形抑制了活塞杆的向下运动。

活塞杆向上运动时，单向阀关闭，油液通过阻尼孔流动，抑制了活塞杆的向上运动。

2.2油气悬挂的数学建模

由油气悬挂结构和工作原理建立数学模型，在建模时为简化计算而做如下的假设：①假设该油气悬挂中活塞、活塞杆与缸筒等部分是密封良好不泄露的;②在模型中不考虑由环境或内部运动导致的温度的变化;③在模型中不考虑由于压力的变化而导致的应力变形。④油气悬挂中所含有的油液其体积弹性模量是一恒定。

2.2.1油缸的数学模型

假设缸筒是静止不动的，活塞杆相对于缸筒进行运动，得到活塞杆的输出力的方程：

其中P1、P2分别为A、B两腔的压力，单位Pa;A1、A2分别为A、B两腔的横截面积，单位m2;Ff为安放在其中的密封圈的摩擦力，单位是N。

油缸中流经单向阀以及阻尼孔和的流量与活塞杆运动速度：

式中 为油缸活塞杆运动速度，单位是m/s;V2为B腔的油液的体积，单位是m3;E为油液的弹性模量。B腔内初始的油液体积V20可表示为 ;

X为油缸活塞杆运动的位移，单位m。

2.2.2蓄能器的数学模型

假设蓄能器中的气体气压不超过10MPa的氮气，不考虑温度对其造成的影响，可以得到如下方程：

式中P3、V3分别为蓄能器中气体瞬时的气压和体积，单位为，MPa和m3;P30、V30分别为蓄能器中气体的初始气压和体积，单位为，MPa和m3;r为气体的变指数。蓄能器中气体的瞬时体积V3与初始的体积V30有如下的关系：

蓄能器进出口与油液管路相连，因此在进出口处存在局部压力损失，其压力关系可表示为：

式中 为压力损失系数，A3为进出口处的横截面积，单位为m2; 为油液密度，单位为kg/m3;蓄能器的进出口流量可以由下式来表示： ，单位为m3/s。

3.结论

本文通过对油气悬架的结构和工作原理的分析，建立了油气悬架的物理模型和数学模型。通过该数学模型可以进行油气悬架的动态特性的仿真以及对其进行优化设计。

参考文献：

[1]戴志哗.一种新型的油气悬挂缸[J].煤矿机械，2005，（7）：103-104.

[2]王艳军.液气悬挂在胶轮车上的应用[J].煤炭工程，2004，（7）：44-45.