分段阻尼特性对土方机械驾驶室瞬态响应的影响

孙小娟，张建润，张 宏

(1.太原科技大学机械工程学院，山西太原 030024;2.东南大学机械工程学院，江苏南京 211189)

0 引言

为保证作业稳定性，土方机械通常没有主悬架，而土方机械作业环境恶劣，驾驶员通常处于有害的大幅振动和冲击激励环境中。土方机械驾驶室质心位置远高于隔振器支撑面，在恶劣的振动环境下冲击激励时驾驶室低频共振模态容易被激发出来，从而引起驾驶室晃动［1］。因此，需要对驾驶室悬置系统进行多自由度动力学建模，来研究隔振器的隔振缓冲性能。Lemerle［2］考虑叉车驾驶室悬架系统的垂直、俯仰和侧倾3个自由度，提出一种基于ADAMS软件仿真、适合工程应用的隔振设计方法;孙小娟［3］建立六自由度驾驶室隔振系统动力学模型，分析悬架系统动力学特性或优化悬架系统隔振性能;李洪忠［4］从降低噪声出发，同时考虑驾驶室3个平动自由度，建立了驾驶室隔振系统动力学模型，对某装载机驾驶室隔振装置进行优化设计。

传统设计中，土方机械驾驶室隔振多采用橡胶悬置，然而橡胶隔振器往往存在大振幅振动下阻尼不足、抗冲能力弱等缺点，因此采用液阻悬置对驾驶室减振越来越受青睐，如在橡胶悬置的基础上附加筒式阻尼器、橡胶液阻悬置等［5-12］。液体阻尼器通常具有明显的分段阻尼特性，这一特性对车辆平顺性具有重要影响。Waters［13］对单自由度车模型受地面瞬态激励的加速度响应研究表明，分段线性阻尼相比线性阻尼能更有效降低加速度响应峰值，而且在冲击时段降低分段阻尼比，能进一步降低加速度响应峰值;Silveira［14］分别通过1/4车模型和半车模型研究了分段线性阻尼特性对遭受路面冲击时乘用车舒适性的影响，结果表明，非线性阻尼器比线性阻尼器更有助于降低乘用车加速度响应，而只有在前悬架为分段阻尼时才能降低俯仰位移响应。

本文对驾驶室液阻悬置采用线性刚度和分段阻尼并联，建立包括垂直、俯仰和侧倾运动的三自由度驾驶室隔振系统非线性动力学模型，采用正矢脉冲模拟车架上的瞬态位移激励，以仿真分析方法对比研究线性阻尼、分段线性阻尼和具有位移相关的三次方分段阻尼的驾驶室系统瞬态加速度和相对位移响应特性。

1 三自由度驾驶室隔振系统建模

考虑土方机械驾驶室隔振系统模型，驾驶室质心为O，通过4个液阻悬置连接在刚性车架上，悬置相对于车架垂直安装。假设土方机械驾驶室质量远比整机总质量小得多，这样驾驶室的运动不影响车架等其他部件的运动。隔振系统如图1所示。图1中，lr1、lr2、lp1和 lp2分别是驾驶室质心距左端、右端、前端和后端隔振器的距离。一般地，悬挂式驾驶室在垂直、侧向水平、俯仰和侧倾4个自由度上的振动较大，而扭摆振动可以忽略［15-17］;另一方面，驾驶室的质心位置和座椅位置总是不重合的，驾驶室2个水平方向的振动在座椅位置将以俯仰和侧倾2种晃动表现出来。为了清晰地反映各参数的作用，这里只采用垂直方向的一维模型描述隔振器，建立具有垂直、侧倾和俯仰3个自由度(z、α和β)的驾驶室动力学模型。

图1 土方机械驾驶室隔振系统俯仰和侧倾平面

1.1 驾驶室液阻悬置的模型建立

驾驶室悬置采用线性刚度和分段阻尼并联进行建模。由悬置i(i=1，2，3，4)作用到驾驶室的力(t)为

式中:ki为刚度常量;分别为悬置i相对于驾驶室连接端和车架连接端的位移;关于时间t的导数;为悬置被压缩时的阻尼常数;为与悬置高度有关的阻尼系数。

则悬置i对驾驶室的力Fim(t) 可变为

不考虑车架的转动输入，且假设4个隔振器与车架的连接端处的输入均相同，即=uf(t)，其中uf是车架的输入位移。因此，当只有垂直输入时，式(3)变为

1.2 驾驶室隔振系统运动方程

一般地，土方机械驾驶室的惯性积比转动惯量要小得多，所以动力学分析时可以忽略。本文的驾驶室转动惯量大约是惯性积的30～50倍，所以对于图1所示的三自由度悬挂式驾驶室隔振系统，可以采用以下方程描述其动态特性

1.3 瞬态激励模型

理论上，当脉冲激励持续时间T比隔离系统的自然周期T短得多(一般T＜T)，即只要脉冲速

nn度远快于响应速度，就认为脉冲可以代表冲击激励。本文采用一种常用的基础位移冲击激励——正矢脉冲作为车架的瞬态激励

式中:ufmax为脉冲的振幅;T为脉冲的持续时间。

输入具有连续的导数特征，这样就保证了任何时刻都具有有限的加速度输入。图2为ufmax=30 mm和T=0.015 s的正矢位移激励，用于以下仿真中。驾驶室质量和悬置刚度值见表1，根据公式，求得自然周期Tn≈0.065 s，与冲击激励的持续时间之比

2 分段阻尼特性对驾驶室瞬态响应的影响分析

图2 瞬态输入波形

表1 数值仿真参数

仿真分析中，驾驶室的质量特性参数、隔振器的安装位置相对于驾驶室质心的尺寸参数以及隔振器的刚度参数等按照表1取值。在此基础上，通过改变式(4)中的阻尼系数讨论驾驶室的瞬态响应特性。采用四阶龙格-库塔法求解互相耦合的运动微分方程组(式(5)～(7))，以获得三自由度驾驶室隔振系统中驾驶室质心的位移和速度响应。之后将位移和速度值代入式(5)～(7)中求得质心的加速度响应。由于车架上没有转动输入，所以驾驶室质心处的俯仰和侧倾位移响应即为驾驶室和车架的相对俯仰和侧倾位移［18-20］。仿真计算中系统的初始条件设为零，即驾驶室隔振系统从静态平衡位置开始运动。

如表2给出的阻尼参数值，在分段阻尼系统中，设定隔振器压缩和拉伸行程的线性阻尼系数之比约为0.5。仿真分析对驾驶室悬置分别为线性阻尼、分段线性阻尼以及含三次方阻尼项的分段阻尼3种情况进行对比，结果如图3、4所示。分别比较图3给出的三自由度的相对位移瞬态响应曲线，可以得到以下3种结果。

(1)比较图3(a)所示的3种情况垂直方向的相对位移响应可知:分段阻尼的2种情况比线性阻尼系统具有较大的第1峰值，但是第2峰值较小;2个分段阻尼驾驶室系统的相对位移响应峰峰值均小于线性阻尼系统;而且在分段阻尼中所含三次方阻尼力较小的情况下，垂直位移响应的峰值更小一些。

表2 三种不同情况的阻尼参数仿真值 103 N·s·m－1

图3 三自由度驾驶室隔振系统相对位移的瞬态响应比较

(2)在图3(b)和图3(c)所示的2种晃动情况下，分段线性阻尼引起了比线性阻尼更大的第2峰值，但是2个分段阻尼驾驶室系统的第1峰值均小于线性系统，而且分段阻尼的2种情况下均具有较小的相对位移响应峰峰值，其中含三次方项的分段阻尼系统的位移峰峰值更小。

图4 三自由度驾驶室隔振系统驾驶室质心加速度的瞬态响应比较

(3)在三自由度的相对位移响应曲线中，分段阻尼的2种情况下驾驶室系统振动的时间均较长一些，尤其是侧倾自由度的相对位移响应持续的时间更长。

另一方面，根据图4所示的三自由度的驾驶室质心加速度瞬态响应曲线，也可以得到以下2种情况。

(1)对于三自由度的质心加速度响应，分段线性阻尼可以带来比线性阻尼更小的第1峰值和第2峰值;当隔振器在拉伸阶段具有适当的与位移相关的三次方阻尼时，在垂直方向的加速度响应峰值不会受太大影响的同时，可以适当减小侧倾和俯仰2个自由度加速度响应的第2峰值。

(2)具有分段阻尼的2种驾驶室隔振系统中，在冲击激励结束瞬间，加速度响应的变化率比线性阻尼系统中的小。

3 结语

土方机械经常受到冲击激励。本文对通过4个液阻悬置支承的土方机械驾驶室隔振系统受到瞬态激励时的动态特性进行研究。假设液阻悬置具有线性刚度，并建立分段的、含位移相关的三次方非线性阻尼模型描述其阻尼特性，同时考虑驾驶室的垂直振动以及侧倾和俯仰2个自由度的晃动，对驾驶室隔振系统建立了三自由度非线性动力学模型;求解驾驶室和车架的相对位移响应以及驾驶室质心加速度响应;重点考察了分段阻尼特性对驾驶室系统瞬态响应的影响。

(1)当液阻悬置具有分段阻尼特性，并且拉伸阶段的阻尼力比压缩阶段大1倍时，与线性阻尼比较，分段阻尼不仅可以在垂直、侧倾和俯仰3个自由度上带来更小的驾驶室和车架之间相对位移响应峰峰值，而且可以减小三自由度的驾驶室质心加速度响应的第1和第2峰值，同时在激励结束瞬间，加速度的变化较线性阻尼系统更加平缓。因此，从加速度响应角度考察，具有分段阻尼的驾驶室系统有更好的抗冲击性能;但是，加速度响应和位移响应不是同时减小的，要提高驾驶室隔振系统的抗冲击性能，需要进一步的优化设计。

(2)液阻悬置具有分段阻尼特性，并在拉伸阶段有与位移相关的三次方阻尼特性，当此三次方阻尼力大小适当，与线性阻尼和分段线性阻尼比较，不仅可以得到更小的相对位移响应峰峰值，而且可以在垂直方向质心加速度响应变化不大的同时，减小侧倾和俯仰的质心加速度响应第2峰值。

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