全地面起重机油气悬挂系统的动态特性分析

全地面起重机油气悬挂系统的动态特性分析

qay200系列地面启动器采用6个桥油气悬挂系统。该起重机的总质量200t，整机外形体积10700×2490×3550mm3，最大起升高度82.1m，底盘为六桥。1气体悬挂系统油气悬挂是以油液传递压力，以惰性气体（通常为氮气）作为弹性介质的一种悬挂系统。其弹性元件为蓄能器，单自由度油气悬挂物理模型如图1所示。1.1压缩行程为正设定液压缸的位移相对于平衡位置向下为正，向上为负，相应的速度以复原行程为正，压缩行程为负。活塞顶端受力为F，向上为正，向下为负，则：式中：P1为液压腔压力，Pa;P2为外环形腔压力，Pa;A1为液压腔面积，m2;A2为外环形腔面积，m21.2油液压缩性pve假设油液没有气穴现象，油液也没有损失，设油液从环形腔流入中心腔为正，则环形腔和中心腔之间的油液流量可用下式表示:式中：q1为单向阀流量；q2为阻尼孔流量。式中：P3为内环形腔压力，Pa;sing（·x·）为符号函数，当·x·>0时，sing（·x·）=1，当·x·=0时，sing（·x·）=0，当·x·<0时，sing（·x·）=-1；ρ为油液密度，Kg/m3;Q1为通过阻尼孔和单向阀的流量，m3/s;A01为阻尼孔面积，m2;A02为单向阀面积，m2;Cd为流量系数。考虑油液压缩性：式中：V2为外环形腔油液压缩量，m3/s;V3为内环形腔油液压缩量，m3/s;V20为外环形腔油液体积量，m3;V30为内环形腔油液体积量，m3；βa为油液压缩系数；dp2为外环形腔油液压力变化量，Pa;dp3为内环形腔油液压力变化量，Pa。流过阻尼孔和单向阀的流量为:1.2.1压力和温度的确定阻尼孔的长度和直径之比l/d>4，为细长孔。据节流小孔理论，阻尼孔流量可表示为:式中：d为阻尼孔直径；l为阻尼孔长度；△P为内环形腔和外环形腔压差，△P(P3-P2）；μ为油液的动力粘度。流过阻尼孔的流量和阻尼孔的前后压差△P成正比，而和油液的动力粘度μ成反比。由于油液的动力粘度受温度变化的影响较大，因此阻尼孔的流量与油液的温度有关。油液的动力粘度与压力和温度的关系可以用下面的经验公式表示:式中：t为油液温度；t0为油液初始温度；μ0为油液在标准大气压下、初始温度的粘度；a为油液的粘压系数；λ为油液的粘温系数。1.2.2单向阀出流面积及出流系数在流体力学中可以将单向阀看作薄壁小孔，则其流量公式为：式中：ρ为油液密度；Cd为单向阀流量系数；△P为环形腔压差，△P=（P3-P2）;A02为单向阀有效过流面积。(1）有效过流面积确定假设单向阀在完全开启时钢球处于节流孔的中心线上，单向阀在完全开启时模型如图2所示。可认为油液流经单向阀时，在AB处过流面积最小。由图中可以得到OB=R，设OA=R1，则可得:将AB围绕阀孔轴线旋转所围成的侧面展开，则扇形环的中心角表达式为:因此AB围绕阀孔轴线旋转所围成的侧面面积，即单向阀的有效过流面积为:由上面关系式可计算出单向阀开启时的有效过流面积。考虑到单向阀的开启和关闭，则在油气悬挂系统工作过程中单向阀的有效果流面积可以如下表示：在压缩行程时，x觶为负值，sign(x觶）=-1,A02=A，即单向阀开启；在拉伸行程时，x觶为正值，sign(x觶）=1,A02=0，即单向阀关闭。(2）出流系数确定单向阀孔口出流性能的主要标志是阻力系数ζ、收缩系数Cc、流速系数Cv和流量系数Cd，这些统称为出流系数。单向阀孔口出流系数和单向阀孔口的雷诺数Re有关。2气体载荷特性车辆运动时，振动变化过程较快，气体来不及与外界进行交换，可看作是绝热过程。由于工作质量不变，根据热力学定律：式中：m为气体绝热指数，取m=1.3;P0为空车时内腔压力，MPa;V0为空车时气体体积，m3;P为外载荷时内腔压力，MPa;V为外载荷时气体体积，m3。载荷F时的气柱高度：载荷F时缸内的绝对压力：将式（16）代入式（15）中，整理后得载荷特性曲线方程：式中：H0为空车时气柱高度；F0为空车时外载荷。（17）式即为所建立的油气悬挂的数学模型。3激振频率对原采力f影响活塞顶端受力F有弹性力和阻尼力构成。图3～图5是分别输入激振信号从低频到高频分别为f=0.1Hz、3Hz和9Hz。相应的振幅从高幅到微幅为A=30mm、10mm和5mm的正弦波，得出活塞的受力F与激振信号的位移关系，力F与液压缸位移地关系曲线，可以看出，在低频时，力F在复原行程和压缩行程基本相重合，说明此时阻尼力很小，随着激振频率的增大，则力F在复原行程和压缩行程不重和且复原行程变化大，压缩行程变化小，其包含的面积越来越大，说明随着激振频率的增大，阻尼作用越来越明显。输入激振信号从低频到高频分别为f=0.1Hz、3Hz和9Hz。相应的振幅从高幅到微幅为A=30mm、10mm和5mm的正弦波得出活塞的受力F与激振信号的速度的关系见图6～图8，可以看出，力F与液压缸速度的变化关系，随着激振频率的增大，复原行程的阻尼力影响明显高于压缩行程。总的来说力F与位移和速度的关系均非线性关系，说明油气悬挂的刚度和阻尼都具有非线性特性，对高频信号具有更好的阻尼作用。4数学模型的建立力F与位移和速度的关系均非线性关系，说明油气悬挂的刚度和阻尼都具有非线性特性，从而可以肯定其刚度特性阻尼特性是非线性的，因而包含该特性的车辆系统动力学模型也是非线性的，对高频信号具有更好的阻尼