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摘 要 介绍了装载机油气减振系统结构、工作原理和性能测试试验，针对装载机工作装置油气减振系统振动数学模型进行Matlab/simulink仿真，进行装载机油气减振系统的理论仿真和实车试验的衰减效果对比分析。
关键词 装载机；油气减振；仿真；试验数据
中图分类号TH243 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）123-0177-02
Matlab/simulink Simulation and Test Data Analysis of Hydropneumatic Vibration Reduction System of Loader Working Device
Zheng Li-xia
Abstract This paper p resents Structure， working principle and performance of testing of hydropneumatic vibration reduction system of loader working device，establishes vibration model of hydropneumatic vibration reduction system of loaderworking device，simulates by means of Matlab/simulink software，Carries on vibration reduction performance of hydropneumatic vibration reduction system from theoretical simulation and real vehicle testing。
Keywords Loader； Hydropneumatic vibration reduction； Simulation； Test Data
1装载机工作装置油气减振系统介绍
装载机在行驶过程中，由于工作装置、物料对颠簸的地面或障碍物作出的反应对整个车辆产生冲击，严重时整车会产生俯仰运动；在转场过程和单机长距离作业时，无法有效地衰减由于高速行驶引起的振动，严重地影响工作效率。目前，一般装载机工作装置的液压缸在行驶状态处于中位闭锁，与前车架之间近似刚性连接，而装载机工作装置油气减振系统是在两者之间安装一套根据阻尼动力吸振原理设计的减振系统，从而使两者成为油气弹性联接。
装载机工作装置油气减振系统主要包括气囊式蓄能器、电磁换向阀、可调节流阀、控制电路等。装载机工作装置油气减振系统有两种工作状态，一是装载机行驶时，电磁阀通电，装载机工作装置油气减振系统工作，如图1 a 所示；二是在铲掘作业时，电磁阀不通电，装载机工作装置油气减振系统不起作用，如图1b所示。
a. 装载机工作装置油气 b. 装载机工作装置油气
减振系统起作用时 减振系统不起作用时
图1 装载机工作装置油气减振系统原理图
1.吸油过滤器；2.工作油泵；3.多路阀动臂联；4.连接电磁换向阀和油管13的油路；5.连接电磁换向阀和油管14的油路；6.可调节流阀；7.开关；8.蓄电池；9.连接电磁换向阀和蓄能器的油路；10.蓄能器；11.电磁换向阀；12.连接电磁换向阀和油箱的回油油路；13.连接动臂举升油缸有杆腔和油管4的油路；14.动臂举升油缸无杆腔和多路阀动臂联的油路；15.连接多路阀动臂联和油箱的回油油路 16.动臂举升油缸；17.安全阀；18.回油过滤器；19.油箱
2装载机工作装置油气减振系统性能测试
性能测试是检验装载机工作装置油气减振系统的可行性和减振效果，采集试验数据以便进行分析和处理，找到合适的充气压力和管路的结构尺寸，提出合理的减振系统。试验中采用梯形状木块作为路障，试验车速约为20km/h。测试中，加速度传感器的安装位置为动臂和动臂举升油缸的绞接处，用测试点处的加速度绝对值作为系统减振性能的衡量指标。
图2 试验中的路障模型的截面尺寸
该油气减振系统减振效果的好坏直接受激振频率、减振系统的刚度和阻尼、载重的质量等方面因素的影响。在装载机空载和满载两种工作状况下，分别选择不同的蓄能器充气压力和液压管路管径进行试验和数据采集。液压油和举升油缸的结构不能进行改动，于是采用改变液压管路的管径来改变减振系统的阻尼，分别选定管径为φ10mm、φ19mm和径为φ19mm +φ10mm三种方案。
3装载机工作装置油气减振系统振动数学模型的建立
在研究过程中，装载机工作装置油气减振系统可简化为单自由度振动模型，如图3。
油气减振系统的运动微分方程为：
式中：x、—动臂负载m的位移、速度
y、—路面激励的位移、速度
θ—动臂举升油缸中心线与路面的夹角
—油液管路引起的压降
图3 装载机工作装置油气减振系统振动模型
其中，系统油液管路阻力引起的压降为：
即得单自由度线性振动数学模型：
4油气减振系统数学模型Matlab/simulink仿真曲线和试验数据曲线的对比分析
在仿真过程中采用一种时域内的路面模型，运用白噪声作为路面输入信号，利用Matlab/simulink编制动力学性能仿真程序，对装载机工作装置油气减振系统动力学性能进行仿真，并与试验数据作出对比分析。采用装载机经过路障的加速度变化作为评价目标，定量地评价减振效果。
将仿真得到的结果进行数据处理，得到仿真数据曲线和测试试验结果的曲线对比图。其中，试验和仿真中的测试点均为动臂与动臂举升油缸活塞杆绞结点位置处在竖直方向上的纵向加速度信号曲线。其中，油气减振系统管路内径取dL=19 mm；满载状况下，蓄能器的充气压力p0分别取5MPa、2MPa、1 MPa；空载状况下，蓄能器的充气压力分别取2MPa、1MPa。
图4 满载，p0=5MPa，dL=19 mm
图5 满载，p0=2MPa，dL=19 mm
图6 满载，p0=1MPa，dL=19mm
图7空载，p0=2MPa，dL=19 mm
图8 空载，p0=1MPa，dL=19 mm
由仿真曲线和试验曲线对比图可以看出，满载状况下，管路内径取dL=19mm时，蓄能器的充气压力分别取5MPa、2MPa、1 MPa时，仿真曲线和试验曲线同时满足蓄能器充气压力越高，装载机工作装置油气减振系统的减振性能越好；并且试验曲线的加速度峰值绝对值稍微高于仿真曲线的加速度峰值绝对值。空载状况下，管路内径 取dL=19mm时，蓄能器的充气压力取2MPa、1MPa时，仿真曲线和试验曲线同时满足蓄能器充气压力越高，装载机工作装置油气减振系统的减振性能越好；并且试验曲线的加速度峰值绝对值稍微高于仿真曲线的峰值绝对值。
5结论
通过试验结果和仿真结果的对比曲线可以看出，试验结果和仿真结果虽然存在着较大的误差，但结论一致，即蓄能器压力在测试范围内，蓄能器充气压力越高，油气减振系统的减振性能越好。
由在加速度测试点处的加速度时间历程可知，装载机前、后桥驶过凸块路障时均会对装载机产生较大冲击，从而加速度出现脉冲峰值，并且加速度峰值随车速的提高而增大。加速度最大脉冲峰值出现的时刻并无明显规律，这是因为加速度最大脉冲峰值既有出现在车轮接触凸块路障时的，也有出现在车轮落地时的；既有出现在前轮过凸块路障时的，也有出现在后轮过凸块路障时的。这就造成铲斗质心加速度出现脉冲峰值的时间不一致的原因。
参考文献
[1]陈玲.矿用汽车平顺性研究.博士学位论文，北京：北京科技大学，2006.
[2]刘福成，庄德军，喻凡.油气悬架工程车行驶平顺性研究.传动技术，2005.
关键词 装载机；油气减振；仿真；试验数据
中图分类号TH243 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）123-0177-02
Matlab/simulink Simulation and Test Data Analysis of Hydropneumatic Vibration Reduction System of Loader Working Device
Zheng Li-xia
Abstract This paper p resents Structure， working principle and performance of testing of hydropneumatic vibration reduction system of loader working device，establishes vibration model of hydropneumatic vibration reduction system of loaderworking device，simulates by means of Matlab/simulink software，Carries on vibration reduction performance of hydropneumatic vibration reduction system from theoretical simulation and real vehicle testing。
Keywords Loader； Hydropneumatic vibration reduction； Simulation； Test Data
1装载机工作装置油气减振系统介绍
装载机在行驶过程中，由于工作装置、物料对颠簸的地面或障碍物作出的反应对整个车辆产生冲击，严重时整车会产生俯仰运动；在转场过程和单机长距离作业时，无法有效地衰减由于高速行驶引起的振动，严重地影响工作效率。目前，一般装载机工作装置的液压缸在行驶状态处于中位闭锁，与前车架之间近似刚性连接，而装载机工作装置油气减振系统是在两者之间安装一套根据阻尼动力吸振原理设计的减振系统，从而使两者成为油气弹性联接。
装载机工作装置油气减振系统主要包括气囊式蓄能器、电磁换向阀、可调节流阀、控制电路等。装载机工作装置油气减振系统有两种工作状态，一是装载机行驶时，电磁阀通电，装载机工作装置油气减振系统工作，如图1 a 所示；二是在铲掘作业时，电磁阀不通电，装载机工作装置油气减振系统不起作用，如图1b所示。
a. 装载机工作装置油气 b. 装载机工作装置油气
减振系统起作用时 减振系统不起作用时
图1 装载机工作装置油气减振系统原理图
1.吸油过滤器；2.工作油泵；3.多路阀动臂联；4.连接电磁换向阀和油管13的油路；5.连接电磁换向阀和油管14的油路；6.可调节流阀；7.开关；8.蓄电池；9.连接电磁换向阀和蓄能器的油路；10.蓄能器；11.电磁换向阀；12.连接电磁换向阀和油箱的回油油路；13.连接动臂举升油缸有杆腔和油管4的油路；14.动臂举升油缸无杆腔和多路阀动臂联的油路；15.连接多路阀动臂联和油箱的回油油路 16.动臂举升油缸；17.安全阀；18.回油过滤器；19.油箱
2装载机工作装置油气减振系统性能测试
性能测试是检验装载机工作装置油气减振系统的可行性和减振效果，采集试验数据以便进行分析和处理，找到合适的充气压力和管路的结构尺寸，提出合理的减振系统。试验中采用梯形状木块作为路障，试验车速约为20km/h。测试中，加速度传感器的安装位置为动臂和动臂举升油缸的绞接处，用测试点处的加速度绝对值作为系统减振性能的衡量指标。
图2 试验中的路障模型的截面尺寸
该油气减振系统减振效果的好坏直接受激振频率、减振系统的刚度和阻尼、载重的质量等方面因素的影响。在装载机空载和满载两种工作状况下，分别选择不同的蓄能器充气压力和液压管路管径进行试验和数据采集。液压油和举升油缸的结构不能进行改动，于是采用改变液压管路的管径来改变减振系统的阻尼，分别选定管径为φ10mm、φ19mm和径为φ19mm +φ10mm三种方案。
3装载机工作装置油气减振系统振动数学模型的建立
在研究过程中，装载机工作装置油气减振系统可简化为单自由度振动模型，如图3。
油气减振系统的运动微分方程为：
式中：x、—动臂负载m的位移、速度
y、—路面激励的位移、速度
θ—动臂举升油缸中心线与路面的夹角
—油液管路引起的压降
图3 装载机工作装置油气减振系统振动模型
其中，系统油液管路阻力引起的压降为：
即得单自由度线性振动数学模型：
4油气减振系统数学模型Matlab/simulink仿真曲线和试验数据曲线的对比分析
在仿真过程中采用一种时域内的路面模型，运用白噪声作为路面输入信号，利用Matlab/simulink编制动力学性能仿真程序，对装载机工作装置油气减振系统动力学性能进行仿真，并与试验数据作出对比分析。采用装载机经过路障的加速度变化作为评价目标，定量地评价减振效果。
将仿真得到的结果进行数据处理，得到仿真数据曲线和测试试验结果的曲线对比图。其中，试验和仿真中的测试点均为动臂与动臂举升油缸活塞杆绞结点位置处在竖直方向上的纵向加速度信号曲线。其中，油气减振系统管路内径取dL=19 mm；满载状况下，蓄能器的充气压力p0分别取5MPa、2MPa、1 MPa；空载状况下，蓄能器的充气压力分别取2MPa、1MPa。
图4 满载，p0=5MPa，dL=19 mm
图5 满载，p0=2MPa，dL=19 mm
图6 满载，p0=1MPa，dL=19mm
图7空载，p0=2MPa，dL=19 mm
图8 空载，p0=1MPa，dL=19 mm
由仿真曲线和试验曲线对比图可以看出，满载状况下，管路内径取dL=19mm时，蓄能器的充气压力分别取5MPa、2MPa、1 MPa时，仿真曲线和试验曲线同时满足蓄能器充气压力越高，装载机工作装置油气减振系统的减振性能越好；并且试验曲线的加速度峰值绝对值稍微高于仿真曲线的加速度峰值绝对值。空载状况下，管路内径 取dL=19mm时，蓄能器的充气压力取2MPa、1MPa时，仿真曲线和试验曲线同时满足蓄能器充气压力越高，装载机工作装置油气减振系统的减振性能越好；并且试验曲线的加速度峰值绝对值稍微高于仿真曲线的峰值绝对值。
5结论
通过试验结果和仿真结果的对比曲线可以看出，试验结果和仿真结果虽然存在着较大的误差，但结论一致，即蓄能器压力在测试范围内，蓄能器充气压力越高，油气减振系统的减振性能越好。
由在加速度测试点处的加速度时间历程可知，装载机前、后桥驶过凸块路障时均会对装载机产生较大冲击，从而加速度出现脉冲峰值，并且加速度峰值随车速的提高而增大。加速度最大脉冲峰值出现的时刻并无明显规律，这是因为加速度最大脉冲峰值既有出现在车轮接触凸块路障时的，也有出现在车轮落地时的；既有出现在前轮过凸块路障时的，也有出现在后轮过凸块路障时的。这就造成铲斗质心加速度出现脉冲峰值的时间不一致的原因。
参考文献
[1]陈玲.矿用汽车平顺性研究.博士学位论文，北京：北京科技大学，2006.
[2]刘福成，庄德军，喻凡.油气悬架工程车行驶平顺性研究.传动技术，2005.