矿用车辆辅助气室空气悬架座椅振动仿真

陈利东

(中国煤炭科工集团 太原研究院, 山西 太原 030006)

0 引言

目前矿用胶轮车得到广泛的使用,但矿用车辆悬架主要是钢板弹簧为主。井下充满大量粉尘、煤粉和积水，工作路况差，支架搬运车辆又无相应的减振隔振措施，座椅与车体形成刚性连接，行驶时地面产生的波动经轮胎直接传递到座椅上，驾驶员长时间承受高强度的振动，极易产生疲劳，带来安全生产隐患[1-3]。本文以框架车座椅为研究对象，通过构建带辅助气室的空气悬架来降低车身传递至座椅的振动，以提高驾驶员操作舒适性。

1 框架车空气悬架座椅结构的分析

辅助气室空气弹簧座椅系统如图1所示,主要采用空气弹簧、辅助气室、节流阀、进气孔和出气孔来控制弹簧刚度及座椅阻尼值，使减振效果达到最佳[4]。带辅助气室的空气悬架座椅可以提高驾驶员的舒适性，降低疲劳，提高行驶安全性。

当座椅的支撑架受到来自车辆底盘的激励时，空气弹簧5和辅助气室4间的气体形成压力差，压力空气将通过电子节流阀3流动，试图保持两者的压力平衡，当空气流过节流阀时，将受到阻力作用而产生阻尼衰减座椅的振动。当座椅的支撑架高度由于人体体重的变换而低于预定高度时，要求空气弹簧进一步充气，由控制单元2控制压缩空气通过辅助气室进入空气弹簧，同时控制单元2根据加速度传感器1的加速度信号调节进气速度，提高乘坐舒适感。相反，当座椅的支撑面高度高于预定高度时，通过控制单元2将空气弹簧中的压缩气体流入辅助气室，通过调节空气弹簧及辅助气室内的气体压力，使座椅支撑板高度不随驾驶员的体重变化而变化。

1-加速度传感器； 2-控制单元； 3-电子节流阀； 4-辅助气室；5-空气弹簧； 6-减振器。

2 座椅的振动参数的选择

以WC80Y支架搬运车座椅为研究对象，针对该型号的座椅进行建模和振动分析。整车参数如表1所示。

表1 WC80Y支架搬运车主要技术参数

WC80Y支架搬运车座椅的振动特性参数主要包括刚度k和阻尼系数C，座椅悬架刚度k，决定它的固有频率w0为：

式中：k为座椅刚度；m为座椅悬架载荷质量。

阻尼C决定了相对阻尼系数ψ，即：

通过推导，其座椅的传递率为：

式中：w为激励圆频率；w2y为座椅表面加速度；w2x为车身地板垂直加速度。

3 空气座椅悬架仿真模型的建立

建立路面的激励时域模型,如图2(a)所示，在MATLAB/simulink中建立带辅助气室的空气座椅悬架模型[5]，如图2(b)所示。

(a) 路面激励时域模型

(b) 带辅助气室的空气悬架座椅模型

仿真时采用连续仿真步长为0.001 s，采样时间为20 s，通过联合仿真得到在车身地板位移曲线，如图3所示。带辅助气室的空气悬架座椅状态下驾驶员承受的垂直垂直方向位移(即振幅),如图4所示。

图3 车身地板位移曲线

图4 座椅垂直位移响应曲线

当系统接受到C级路面激励后，支架搬运车车身底盘的最大振动位移为13 mm，经辅助气室空气悬架后降低为5.4 mm,即辅助气室的空气悬架座椅有更好的减振性能，矿用支架搬运车的驾驶舒适性得到了明显的改善。

4 带辅助气室座椅系统的振动特性试验

在带辅助气室的空气弹簧上方安装一个可以承受不同载荷的平台，供被测试者使用,其座椅测试系统结构如图5所示。本次试验中使用铁块来代替，通过实验台可以将需要的振动激励,通过座椅底板传递到带辅助气室的空气弹簧进行测试。

图5 座椅系统实验

在测试之前，给系统设定一个频率为10 Hz，振幅为10 mm的偱环激励，持续5～10 min使工作部件达到正常工作温度。

1) 在载荷为60 kg和90 kg状态下，打开空气开关，将座椅调到平衡位置，关闭空气开关，使节流阀处于手动模式，通过旋转节流阀按钮，使节流阀的开度在10%、20%、30%、50%、70%、100%状态下，将振动频率由0.5 Hz逐渐增大到6 Hz，记录节流阀各开度状态下带辅助气室的空气悬架座椅系统传递率随频率变化情况，如图6所示。

通过图6(a)和图6(b)对比分析可知，当座椅悬架的质量增加后，座椅的振动传递率在各个开度状态下都产生了明显的增加;当节流阀开度调整为10%时，在60 kg状态下共振点固有频率点传递峰值为2.85左右，增加载荷后变为3.22左右，增大幅度为14.3%;当节流阀开度为最大开度时，在60 kg状态下传递率峰值为1.52左右，在90 kg状态下传递率峰值为1.72左右，增幅为13.3%。

由图6(b)可知,当振动频率接近座椅固有频率时会引起共振，产生传递率峰值。随着节流阀开度的变化，共振频率位置发生变化，故节流阀开度的改变会引起座椅悬架固有频率的变化。

(a) 体重为60 kg时的传递率

(b) 体重为90 kg时的传递率

5 结论

本文设计的一种带辅助气室的空气悬架来降低矿用支架搬运车地面传递至座椅的振动，通过模拟C级路面激励进行仿真，得到了座椅垂直方向的位移和加速度曲线，结果表明：带辅助气室空气悬架座椅具有更加显著的减振性能，能够获得较理想的减振特性。