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1、I 学位论文阅读报告 STUDY ON THE PERFORMANCE OF HYDRO-PNEUMATIC SUSPENSION SYSTEM FOR MINING DUMP TRUCK 矿用自卸车油气悬挂系统性能研究 学院：机械工程学院 专业：机械电子工程 班级：机电 2 班 姓名：任志勇 学号：S14080202016 目录 I 目目 录录 第 1 章 课题来源1 1.1 课题背景1 1.2 课题来源1 1.3 实际应用中的发展及主要问题1 第 2 章 课题研究的意义3 2.1 课题研究的意义3 第 3 章 论文主要内容5 3.1 论文主要内容5 3.1.1 论文第 1 章内容.5 3.
2、1.2 论文第 2 章内容.5 3.1.3 论文第 3 章内容.5 3.1.4 论文第 4 章内容.5 3.1.5 论文第 5 章内容.5 第 4 章 创新点7 4.1 主要工作和创新7 第 5 章 没有解决的问题及以后可继续开展的工作9 5.1 论文没有解决的问题及以后可继续开展的工作9 参考文献11 附录13 附录 1 论文摘要.13 附录 2 论文目录.15 第 1 章 课题来源 0 第 1 章 课题来源 1.1 课题背景 近年来，各生产制造业发展迅速，传统小型车辆无法满足矿石运输需求量 的增长，大型矿用自卸车已经被广泛应用到矿山运输领域，使得运输的效率提 高且成本降低i,ii。然而，矿
3、山的运行环境复杂恶劣，路况条件差，这必然对 矿用自卸车悬挂系统减振性能有很高的要求，所以对其悬挂系统特性的深入研 究十分必要。 1.2 课题来源 矿用自卸车行驶环境恶劣且复杂多变，路面条件极差，如何保证车辆的悬 挂系统减振性能优越，适应矿山工作环境，已被国内外研究人员和车辆生产者 广泛关注。矿用自卸车工作路况条件极差，如何保证车辆悬挂系统的工作性能 是亟需解决的问题。较大吨位矿用自卸车一般采用油气悬挂，但是由于资金缺 乏和国外核心研究成果一般处于保密状态，国内对油气悬挂系统的研制主要处 于原理引进应用阶段。油气悬挂系统在车辆使用过程中出现诸多问题，对其性 能的研究不得不被提上日程。 1.3 实
4、际应用中的发展及主要问题 油气悬挂系统以其良好的性能逐渐被广泛应用于各种车辆，但国内企业基 本上只引进应用，很少对其各项特性进行深入研究。但由于油气悬挂系统在矿 用自卸车的使用过程中频繁出现故障，针对这一现状，建立项目“50t 矿用自卸 车油气悬挂系统性能研究” ，主要通过对悬挂系统进行建模，运用计算机仿真分 析，对影响其油气悬挂缸的工作特性各个参数进行具体分析，并对车辆行驶的 平顺性进行仿真分析。 第 3 章 论文主要内容 1 第 2 章 课题研究的意义 2 第 2 章 课题研究的意义 2.1 课题研究的意义 油气悬挂系统是综合液压传动和控制技术，相比传统的悬挂系统而言，具 有良好的非线性特
5、性，因此广泛应用于现代车辆，本文所研究油气悬挂系统为 秦皇岛实习单位所生产矿用自卸车。在使用过程中，车辆的油气悬挂装置经常 出现紧固螺栓松动断裂、漏油、拔缸等现象，车辆其他结构件也经常出现开裂 和松动现象，这与车辆振动产生的疲劳有极大的关系。车辆工作时，当悬挂系 统性能不佳只能降低车速行驶，使得发动机功率不能充分利用，且使得效率降 低。 实习单位建立项目“50t 矿用自卸车油气悬挂系统性能研究” ，针对其生产 的 50t 矿用自卸车的油气悬挂系统进行理论研究与仿真分析，旨在得出影响油 气悬挂系统性能的主要因素及其影响趋势，为下一步自卸车的油气悬挂系统设 计开发、性能优化以及实际应用的改善提供一
6、定的理论依据。 第 3 章 论文主要内容 3 矿用自卸车油气悬挂系统性能研究 4 第 3 章 论文主要内容 3.1 论文主要内容 3.1.1 论文第 1 章内容 介绍课题的研究背景、目的及意义，车辆悬挂系统介绍及组成。油气悬挂系统 概述。 3.1.2 论文第 2 章内容 分析了 50 吨矿用自卸车油气悬挂系统结构，以其为依据建立了整车的七自由 度模型并进行了简化，得到了可单独分析的前油气悬挂缸或者后油气悬挂缸，使研 究对象大大简化，为 1/4 车辆平顺性研究提供理论依据。本章最后参考该矿用自卸 车车后悬挂缸的内部结构，分析了油气悬挂系统的工作原理，为油气悬挂缸非线性 模型建立奠定基础。 3.1
7、.3 论文第 3 章内容 根据 50 吨矿用自卸车结构，对其后油气悬挂缸活塞杆的输出力进行了建模分 析。在模型建立的过程中考虑了温度对液压油的影响，根据悬挂缸的内部结构和孔 口出流方程建立了油液的阻尼力模型；分析了油气悬挂缸内的气体性质，并根据实 际气体状态方程建立了油气悬挂缸的气体弹性力模型。由建立模型结果可以看出， 油气悬挂具有复杂的非线性特性，其中包括非线性阻尼特性和非线性刚度特性。 本章中建立的油气悬挂缸非线性模型可用于分析其工作特性，为研究油气悬挂 缸的结构和工作参数对整车平顺性的影响规律提供理论基础。 矿用自卸车油气悬挂系统性能研究 5 3.1.4 论文第 4 章内容 使用 MAT
8、LAB 分析了自卸车油气悬挂缸的位移和速度特性，对影响油气悬挂 系统的阻尼特性和刚度特性的各种因素进行了详细分析，得出了输入激励信号、 悬挂缸的结构参数和悬挂系统的工作参数对悬挂缸动态特性的影响规律。 分析结果表明，油气悬挂系统具有显著的非线性阻尼特性，且在拉伸和压 缩行程明显不对称，同时油气悬挂系统还具有明显的非线性刚度特性。本章研 究结果对以后的油气悬挂系统的参数选择和结构设计提供了依据，也可对悬挂 缸试验研究起到一定的指导作用。 3.1.5 论文第 5 章内容 运用 MATLAB/Simulink 得出路面输入。运用牛顿力学定律建立系统的动 力学方程，并以平顺性的三个评价指标作为系统的输
9、出，将其转化为状态空间 的表达形式，使用 MATLAB/Simulink 建立系统仿真模型，得出 C 级路面和 D 级路面激励下的车辆平顺性仿真结果，结果表明该矿用自卸车的悬挂系统性能 符合车辆平顺性要求。最后分析了阻尼系数和刚度系数对行驶平顺性各个评价 指标的影响。 矿用自卸车油气悬挂系统性能研究 6 第 4 章 创新点 4.1 主要工作和创新 （1）分析了 50 吨矿用自卸车悬挂系统具体结构，以此为依据建立了整车 七自由度振动模型，并在一定条件下对其进行简化，得到 1/4 车两自由度的油 气悬挂系统模型，并根据后油气悬挂缸内部结构，对油气悬挂系统工作原理进 行了具体分析。 （2）根据油气悬
10、挂系统工作原理，分别利用小孔节流理论和实际气体状态 方程建立了悬挂缸输出阻尼力和弹性力的非线性数学模型，在建立模型的过程 中将活塞（杆）与缸筒之间的摩擦力、工作温度对液压油粘度和气体状态的影 响等非线性因素考虑在内。 （3）使用 MATLAB 软件，对所建立模型进行了仿真分析，得出各个结构 和工作参数对油气悬挂缸的位移和速度特性的影响，并对影响其阻尼和刚度特 性的因素进行了具体分析，为油气悬挂系统设计和开发的参数选择提供了理论 基础和试验依据。 （4）对自卸车后油气悬挂系统进行了动力学分析，以随机路面激励为系统 输入，评价车辆行驶性能的三个关键指标作为系统的输出，在 MATLAB/Simuli
11、nk 中建立了仿真模型，得出了不同路面等级下的仿真结果，并 研究了阻尼和刚度变化对各个平顺性指标的影响，为车辆悬挂系统阻尼和刚度 的选择提供了一定的依据。 第 4 章 创新点 7 矿用自卸车油气悬挂系统性能研究 8 第 5 章 没有解决的问题及以后可继续开展的工作 5.1 论文没有解决的问题及以后可继续开展的工作 本文系统地研究了矿用自卸车油气悬挂系统的性能，建立了系统非线性模型， 分析了系统阻尼和刚度的影响因素及其对车辆行驶平顺性的影响。本文的研究方法 为以后的车辆油气悬挂系统性能研究提供了一定的参考价值。 然而，本文研究内容还存在许多不足。一是在建立油气悬挂缸数学模型的过程 中忽略了许多因
12、素，对分析结果的精确度产生了影响。二是在车辆平顺性研究的过 程中采用了非参数化的研究方法，将油气悬挂的阻尼和刚度进行了线性化处理，未 根据其非线性对系统进行分析，且未对悬挂缸的具体结构和工作参数对车辆的平顺 性影响进行分析。三是由于条件有限，无法对油气悬挂系统分析结果进行试验验证。 第 5 章 没有解决的问题及以后可继续开展的工作 9 参考文献 10 参考文献 孙博, 胡顺安, 周俊, 等. 国内非公路矿用自卸车发展现状研究J. 煤矿机械, 2010, 31(8): 15- 16. 2裴洁, 李来平. 浅析非公路 (矿用) 自卸车概况及标准综述J. 工程机械文摘, 2010, 3: 7. 3赵
13、青, 葛玉柱, 王晶晶, 等. 车辆主动悬挂系统的建模及控制方式J. 中南林业科技大学学报: 自然科学版, 2011, 30(12): 184-187. 4 李双, 张鹏飞, 刚宪约. 1/2 汽车模型悬架动力学分析与性能优化J. 农业装备与车辆工程, 2013, 51(7): 36-40. 5 石秉良, 张孝祖. 车辆悬挂系统的可控性与可观测性J. 江苏理工大学学报: 自然科学版, 1999, 20(3): 4-7. 6 周长城. 汽车平顺性与悬架系统设计M. 北京: 机械工业出版社, 2011: 58-59. 7 周桂凤, 王玉刚, 张东梅. 汽车悬架系统弹性元件的参数程序化设计J. 机电
14、工程技术, 2012, 41(1): 52-56. 8 周长城. 汽车减振器设计与特性仿真M. 北京: 机械工业出版社. 2012: 12-18. 9 曹艺辉, 赵言正, 付庄. 无人车独立悬挂系统设计与仿真J. 机电一体化, 2012 (2): 17-21. 10 Sardou M A, Djomseu P. Composite Compression C Springs and Light Independent Suspension for Trucks, Buses, Cars and TrainsJ. SAE transactions, 2000, 109(2): 683-695.
15、11 董怀力, 文桂林, 王艳广, 等. 油气悬挂在不同温度下非线性特性的无损评测J. 中国科技 论文在线, 2009, 4(8): 572-576. 12 徐玉荣. 电控油气悬架系统在汽车底盘控制中的研究与开发现状J. 科技信息(科学教研), 2008, 14: 344-345. 13 王欣, 方新, 高顺德, 等. 连通式油气悬挂系统刚度特性分析J. 机床与液压, 2012, 40(9): 55-57, 72. 14 王欣, 蔡福海, 高顺德. 车辆油气悬架技术现状与发展趋势J. 建筑机械: 上半月, 2007 (01S): 58-61. 参考文献 11 附录 12 附录 1： 摘 要 矿
16、用自卸车工作路况条件极差，如何保证车辆悬挂系统的工作性能是亟需解决 的问题。较大吨位矿用自卸车一般采用油气悬挂，但是由于资金缺乏和国外核心研 究成果一般处于保密状态，国内对油气悬挂系统的研制主要处于原理引进应用阶段。 油气悬挂系统在车辆使用过程中出现诸多问题，对其性能的研究不得不被提上日程。 本文主要针对 50 吨矿用自卸车油气系统特性展开研究，对油气悬挂系统的研 发设计和参数选择具有重要现实意义。现将整篇论文研究内容概括如下： 首先，分析 50 吨矿用自卸车悬挂系统具体结构，建立整车七自由度振动模型 并对其进行简化，得到 1/4 车两自由度油气悬挂系统振动模型，根据矿用自卸车后 油气悬挂缸内
17、部结构，对油气悬挂系统工作原理进行具体分析。 其次，根据油气悬挂系统工作原理，建立油气悬挂缸非线性模型，在建模过程 中将活塞（杆）与缸筒之间的摩擦力、工作温度对液压油粘度和气体特性的影响等 非线性因素考虑在内。 再次，用 MATLAB 对所建立数学模型进行仿真分析，得出各个结构和环境因素 对油气悬挂缸位移和速度特性的影响，并对影响其阻尼和刚度特性的因素进行具体 分析，为油气悬挂系统设计开发和参数选择提供一定的理论基础以及试验依据。 最后，建立随机路面激励时域模型，对自卸车后油气悬挂系统进行动力学分析， 以车辆平顺性的三个关键指标作为系统的输出，用 MATLAB/Simulink 建立平顺性仿
18、真模型，得出不同路面等级下仿真结果，并研究阻尼和刚度系数对各个平顺性指标 的影响，为以后车辆悬挂系统阻尼和刚度的选择提供一定的参考价值。 关键词：油气悬挂系统；矿用自卸车；性能研究；MATLAB/Simulink；车辆平顺性 附录 13 附录 2： 目录 摘 要.I Abstract III 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题来源及研究的意义 1 1.2 车辆悬挂系统介绍 .2 1.2.1 车辆悬挂系统组成2 1.2.2 车辆悬挂系统的类型3 1.3 油气悬挂系统概述.6 1.3.1 油气悬挂的研究现状6 1.3.2 油气悬挂的应用领域8 1.4 本文主要研究内容.9 第 2 章 油气悬挂系
19、统分析 11 2.1 油气悬挂系统分类.11 2.2 矿用自卸车油气悬挂系统安装结构.14 2.2.1 前悬挂系统14 2.2.2 后悬挂系统15 2.3 矿用自卸车油气悬挂系统振动模型及其简化.15 2.3.1 整车七自由度模型16 2.3.2 振动系统的简化18 2.4 油气悬挂系统工作原理20 2.5 本章小结.22 第 3 章 油气悬挂缸非线性模型建立 23 3.1 油气悬挂缸输出力方程.23 3.2 油液阻尼力分析.24 3.2.1 油液的可压缩性24 3.2.2 孔口出流方程24 3.2.3 液压油动力粘度25 3.2.4 阻尼力的计算26 3.3 气体弹性力分析.28 3.3.1
20、 理想气体状态方程28 3.3.2 实际气体状态方程29 3.3.3 弹性力的计算30 附录 14 3.4 本章小结.32 第 4 章 油气悬挂缸动态特性分析 33 4.1 模型参数和激励信号选择33 4.1.1 油气悬挂缸参数.33 4.1.2 仿真激励信号的选择.33 4.1.3 油气悬挂缸输出特性.36 4.2 位移特性和速度特性分析38 4.2.1 油气悬挂缸结构参数对其特性的影响.38 4.2.2 油气悬挂缸工作参数对其特性的影响.41 4.3 油气悬挂缸非线性特性研究43 4.3.1 油气悬挂系统阻尼特性.43 4.3.2 油气悬挂系统刚度特性.46 4.4 本章小结49 第 5 章 油气悬挂系统车辆平顺性研究 51 5.1 路面输入模型.51 5.1.1 路面不平度的功率谱密度.52 5.1.2 时域路面激励的时域模型.53 5.2 二自由度车辆动力学模型55 5.2.1 油气悬挂缸刚度和阻尼系数的线性化.55 5.2.2 动力学模型的建立.56 5.3 二自由度 1/4 车动力学仿真.58 5.4 平顺性分析60 5.5 本章小结62 结 论63 参考文献65 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果68 致 谢69 作者简介70 附录 15