具有液阻特性悬置的工程机械驾驶室隔振系统建模与特性分析

摘要

工程机械乘坐舒适性得到越来越广泛关注，研究驾驶室动力学特性非常必要。由于驾驶室质心位置高，容易出现低频晃动振动。采用驾驶室悬架是提高乘坐舒适性更为合理、经济和实际的方法。液阻悬置本身具有较强的刚度和阻尼非线性特性，作为驾驶室减振装置是目前工程机械悬架中一种新颖的悬架技术和重要的发展方向。研究液阻悬置的非线性动态特性、建立合理的驾驶室隔振系统动力学模型并对其特性进行深入分析，对改善工程机械驾驶室振动和噪声环境具有重要的理论价值和现实意义。 本文分析了工程机械悬挂式驾驶室及其液阻悬置的结构特点，从乘坐舒适性和驾驶室低频晃动等问题出发，采用有限元仿真分析、理论建模和试验研究等方法重点研究了驾驶室液阻悬置的非线性阻尼特性以及车架-驾驶室非线性隔振系统的动力学特性。论文的主要内容及创新成果包括: 1.对悬挂式驾驶室的减振隔冲设计，强调了乘坐舒适性和驾驶室低频晃动等设计要求的重要性。以有限元分析为手段，建立6点平置式支撑挖掘机驾驶室隔振系统有限元模型，进行约束模态分析，讨论容易出现低频晃动的原因;在此基础上，改变隔振器支撑位置，减小驾驶室质心与支撑平面的距离并进行模态分析，结果表明调整后的隔振器布置方式对减小驾驶室10Hz以下的低频晃动具有较好的效果。 2.对驾驶室液阻悬置进行了10Hz以下低频流固耦合仿真分析。在ADINA软件中建立挖掘机驾驶室液阻悬置二维1/2有限元模型，通过设置Gap边界条件和定义接触对，较好地模拟了阻尼盘与橡胶主簧底部形成的间隙对流体流动的作用。获得了液阻悬置受到低频大振幅简谐激励时液体的压力分布、流速分布以及固体部分的应力分布等特性，为进一步研究其动态特性奠定基础。 3.对具有混合粘性阻尼（表达为fd((x)）=c1(x)+c2|(x)|(x)）以及分段混合粘性阻尼的单自由度基础隔振系统分别进行解析求解。采用一阶谐波平衡法，引入等效线性阻尼系数，推导了振动系统相对和绝对位移传递率表达式，并指出工程计算中的等效粘性阻尼系数具有一次谐波精度;与相应的线性系统响应特性比较，详细讨论了在共振峰值相同的条件下，各阻尼参数对固有频率和传递率等系统特性的影响。 4.建立了具有n点支撑的包含二次方液阻特性的6自由度驾驶室隔振系统动力学模型。悬置等效为具有3维刚度和阻尼的隔振器，垂直方向的阻尼特性表达为混合粘性阻尼模型;以4点支撑驾驶室系统为算例，分别考察了只有垂直方向受到10Hz以下路面低频随机激励和x、y、z三个方向同时受到随机激励的两种情况，采用蒙特-卡洛方法求解系统的加速度和相对位移响应RMS值，结果与橡胶悬置系统对比，表现出更好的响应特性。 5.提出了将驾驶室俯仰运动绝对位移同时作为高质心驾驶室乘坐舒适性的衡量方法。本文通过乘坐舒适性和悬架行程空间两个指标评价隔振系统动态性能，悬架行程空间采用驾驶室和车架相对位移的6个分量来衡量;乘坐舒适性指标在考察驾驶室质心加速度的6个分量的同时，考虑了驾驶室俯仰振动的绝对位移，以更充分反应驾驶室晃动对人体舒适性的影响。 6.对驾驶室液阻悬置进行了10Hz以下低频谐响应动态试验研究。通过分析位移-力滞后环和力的时间历程，并与橡胶主簧实验结果对比，考察了液阻悬置样件的刚度和阻尼具有与激励频率和振幅、预载等多个因素有关的低频非线性特性;重点讨论了液体的粘性阻尼特性，5Hz以下时随着阻尼盘向上和向下运动阻尼力具有明显的分段特性，并且阻尼盘和橡胶底部形成的间隙对阻尼特性影响明显。 7.建立了分段非线性阻尼模型对驾驶室液阻悬置的动态特性进行描述。在试验研究基础上，假设液体为纯粘性流体，认为液体具有混合粘性阻尼特性，并在液阻悬置拉伸阶段加上一个含有与位移相关的3次方项描述阻尼盘靠近橡胶主簧底部时间隙对阻尼力的影响，从而建立了含3次方项的分段阻尼力模型。对预载为1300N时的某试验结果进行数值拟合，获得了与试验曲线吻合较好的仿真曲线;拟合结果表明，液阻悬置在拉伸阶段比在压缩阶段产生的阻尼力大1倍以上，而且阻尼盘向上运动时具有更强的二次方阻尼特性。 8.对采用液阻悬置作为隔振装置的某履带式液压挖掘机驾驶室进行实地振动测试。现场测试了定置和动态两种试验条件下的驾驶室和车架加速度振动信号，结果表明动态情况下车架上具有明显的冲击激励，而液阻悬置具有较好的隔振与隔冲性能。 9.研究了液阻悬置具有含位移相关的3次方阻尼的分段阻尼特性时驾驶室隔振系统在冲击激励下的动态响应特性。对液阻悬置建立分段的、含位移相关的3次方阻尼项的非线性动力学模型，之后建立了具有垂直、倾侧和俯仰3个自由度的驾驶室隔振系统非线性集总参数模型;采用正矢脉冲作为基础位移冲击激励，运用数值法求解驾驶室质心加速度响应以及驾驶室和车架相对位移响应，并对比考察了与位移相关的3次方阻尼、线性分段阻尼、含3次方阻尼的分段阻尼以及线性阻尼等阻尼特性对驾驶室系统响应特性的影响。结果表明，与线性阻尼以及3次方阻尼比较，分段非线性阻尼特性对提高乘坐舒适性和减小悬架行程空间都有较好的效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景和意义

1．2 常用驾驶室隔振器概况及液阻悬置动力学研究方法

1．2．1 驾驶室橡胶悬置的结构及其应用

1．2．2 驾驶室液阻悬置的应用及其结构特点

1．2．3 发动机液阻悬置动态特性的研究方法

1．2．4 驾驶室液阻悬置的数学模型

1．3 悬挂式驾驶室隔振系统研究现状

1．3．1 悬挂式驾驶室结构特点与动力学建模

1．3．2 悬架动力学性能评价指标

1．3．3 现有研究的局限性

1．4 非线性隔振系统研究概述

1．4．1 非线性隔振系统的数学模型与求解方法

1．4．2 系统评价方法—传递率

1．5 论文研究的主要内容

第二章 驾驶室隔振系统模态分析及液阻悬置流固耦合仿真

2．1 悬挂式驾驶室减振设计要点

2．2 基于模态分析的驾驶室低频晃动原因分析

2．2．1 挖掘机驾驶室有限元模型的建立

2．2．2 挖掘机驾驶室模态分析结果与低频晃动原因分析

2．2．3 隔振器安装位置对驾驶室晃动的影响

2．3 液阻悬置液固耦合有限元稳态仿真分析

2．3．1 液阻悬置基本结构

2．3．2 流固耦合分析的二维有限元模型

2．3．3 流固耦合稳态仿真分析结果与讨论

2．4 本章小结

第三章 含混合粘性阻尼的单自由度系统谐响应隔振性能研究

3．1 具有混合粘性阻尼的单自由度隔振系统谐响应近似解

3．1．1 等效线性阻尼系数和相对位移传递率

3．1．2 绝对位移传递率

3．2 谐波平衡法和数值法计算结果对比

3．3 二次非线性阻尼成分对响应的影响

3．3．1 对相对位移传递率的影响

3．3．2 对绝对位移传递率的影响

3．4 具有分段混合粘性阻尼特性的隔振系统

3．4．1 模型建立和近似解析解

3．4．2 绝对位移传递率的数值仿真

3．5 本章小结

第四章 具有二次方阻尼的驾驶室隔振系统动态特性研究

4．1 数学模型

4．1．1 驾驶室液阻悬置的模型建立

4．1．2 驾驶室隔振系统运动方程

4．1．3 驾驶室与车架相对运动的状态空间表示法

4．1．4 时域随机路面模型

4．2 性能评价指标

4．3 数值仿真结果与分析

4．3．1 频率响应结果

4．3．2 只在垂直方向(z方向)受到随机激励时系统的RMS响应特点

4．3．3 在x，y和z三个方向同时受到随机激励时系统的RMS响应特点

4．4 本章小结

第五章 驾驶室液阻悬置试验研究及工程应用与测试

5．1 液阻悬置动态试验的建立

5．2 试验结果与分析

5．2．1 频率对动态特性的影响

5．2．2 预载对动态特性的影响

5．2．3 激励振幅对动态特性的影响

5．3 液阻悬置的分段非线性集总参数模型

5．4 某挖掘机驾驶室液阻悬置隔振测试

5．4．1 测试仪器与测试方法

5．4．2 测试结果分析

5．5 本章小结

第六章 液阻悬置的三次方阻尼及分段阻尼特性对驾驶室瞬态响应的影响

6．1 三自由度驾驶室隔振系统建模

6．1．1 驾驶室液阻悬置的模型建立

6．1．2 驾驶室隔振系统运动方程

6．1．3 瞬态激励

6．2 位移相关的三次方阻力特性对驾驶室瞬态响应的影响

6．3 含三次方阻尼的分段非线性阻尼特性对驾驶室瞬态响应的影响

6．4 本章小结

第七章 工作总结与展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

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