关于重型矿用自卸车油气悬架参数优化的分析

关于重型矿用自卸车油气悬架参数优化的分析

徐勇

葛洲坝易普力新疆爆破工程有限公司新疆乌鲁木齐830001

摘要：本文将通过对油气悬架的优势以及劣势进行介绍，从而借助遗传算法，对重型矿用自卸车的油气悬架参数加以有效优化，进而为有关部门能够更有效地使用重型矿用自卸车开展采矿相关作业提供可靠参考。

关键词：重型矿用自卸车；油气悬架；参数优化

引言

中型矿用自卸车拥有运营成本较低、工作效率较高等优势，如今已被广泛应用到大型的露天矿山作业当中。矿区路面并不平整，车轮极易受到垂直作用力的冲击，使其有较差的行驶平顺性。油气悬架阻尼特性以及非线性刚度较好，能有效提升车辆平顺性，使驾驶员更舒适，并使零件受损程度降低，提升车辆寿命。

1油气悬架的优势与劣势

1.1油气悬架的优势

（1）具有紧凑的结构，特别是将阻尼阀进行加装之后，使得油气悬挂无需单独使用减振器，使整体结构更简单。一般会将气室设于活塞杆之内，经由浮动活塞分离油气，适应了重型车辆大行程特征。除此之外，此系统重量轻、体积小，拆卸极为方便。

（2）具备非线性刚度：以往传统的悬架，其刚度属于线性刚度，并且基本不会发生改变，在车辆载重逐渐改变的过程中，其振动频率也会发生改变；在油气悬架中，其刚度属于渐增/渐减且非线性的，在车辆栽种逐渐改变的过程中，其振动频率不会改变，且此现象能够经由优化相应参数得以有效实现[1]。

（3）油气悬架中的“悬挂闭锁”功能可以把油气悬挂中蓄能器与动力缸分置开来，同时在对其进行连接的高压管路中安置锁止阀来使此功能得以实现。此功能有助于对重物进行移动以及运载。

（4）具备非线性阻尼特点：在安装完阻尼阀之后，能够使油气弹簧阻尼系数具备非线性的特点，而阻尼比以及悬挂阻尼力都会伴随车桥、车架相对速度的改变而发生改变。

（5）调整车姿：可调式的油气悬架能够有效使车体左右倾斜、升降以及前后俯仰，然而需要加装调节车姿系统。此项功能一般只会实现于主动悬挂当中，从而将油气悬架的优势充分彰显出来。

（6）有较大的单位储能：在氮气的充气压力达到6MPa的时候，单位重量的储能可以达到同条件中3500倍钢板弹簧的单位重量储能，从而使悬架质量减轻，进而使悬架质量变轻。

1.2油气悬架的劣势

在油气悬架中，除了包含蓄能器以及悬架缸，还应当配置滤清器、油箱、电气、电子控制元件、液压泵以及液压控制阀等，这也导致制作成本相对较高。

除此之外，油气悬架一般需要承受较大荷载，这就要求控制阀以及油气拥有较高的密封性，所以使得元件加工较为复杂，维修、维护相对困难。油气悬架在实际的应用过程中，使用寿命较短需要较多的维护、修理，这使其减振优势难以充分发挥出来，使得车辆驾驶舒适性以及行驶平顺性都较差[2]。

2借助遗传算法优化重型矿用自卸车油气悬架参数

2.1悬架的结构

在油气悬架中，传递压力为油液，弹性介质一般为氮气等惰性气体，并借助悬架缸中单向阀以及阻尼孔对以往悬架减振元件进行代替，使得悬架刚度可变，且具备非线性的特点，进而能够确保重型矿用自卸车在行驶途中拥有较高的接地性以及平顺性。在重型矿用自卸车中，油气悬架除了会对车辆行驶的安全性以及驾驶员舒适性产生影响，更会间接地对零部件寿命、车辆经济性以及动力性产生影响。所以，有关部门亟需对重型矿用自卸车油气悬架的参数加以有效优化。

2.2工作原理

车辆行驶过程中，路面起伏生成的动载荷，会导致杆筒在缸筒中进行上下往复的运动，其结构件图，如图1所示。

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图1油气悬架简图

车身和车架距离在增加的过程中，腔Ⅰ压力下降，腔Ⅱ压力上升，液压油会经由阻尼孔向腔Ⅰ流动，使之氮气被压缩，对能量进行储存，生成较大的阻尼力，并使车身的振动快速衰减。车身和车架距离在缩短的过程中，缸筒会把垂直荷载转化成缸筒中油液压力，把腔Ⅰ中液压油经由阻尼孔以及单向阀向腔Ⅱ流动，使阻尼力变小，氮气会膨胀并将能量释放出来，对路面冲击进行缓和。

2.3仿真模型与优化模型的建立

2.3.1仿真模型

在仿真模型建立过程中，应当明确其构成部分包含了输出模块、输入模块以及数学运算模块：

（1）输出模块：对包含加速度在内的振动响应进行输出。

（2）输入模块：路面输入矿用自卸车的振动系统。

（3）数学运算模块：确保振动系统的微分方程能够被顺利求解。

2.3.2优化模型

模型优化准则主要是：筛选出油气悬架最合适的结构参数，对自卸车振动性能、振动能量加以改善，进而让车辆在自身整体频率范围中的振动响应更加均衡，最终使车辆行驶的平顺性得到提升。

2.3.3变量设计

在通常情况下，油气悬架最重要的参数包含了满载平衡位置单向阀直径、气室高度、阻尼孔直径、活塞杆外径以及缸筒内径等，设计变量可以选择十维向量——X，其表达式：

（1）

其中，是前油气悬架阻尼孔直径，是前油气悬架单向阀直径，是前油气悬架活塞杆外径，是前油气悬架缸筒内径，是前油气悬架满载平衡位置气室的高度。是后油气悬架阻尼孔直径，是后油气悬架单向阀直径，是后油气悬架活塞杆外径，是后油气悬架缸筒内径，是后油气悬架满载平衡位置气室的高度。

2.3.4优化流程与结果

在实验过程中应当结合实际情况对目标函数、设计变量以及约束条件加以确定，随后借助遗传算法展开解题过程：借助二进制编码的方式，借助简单适应性的函数方法对适应函数加以确定，并且应用单电交换策略、二进制编码中基本位变异的策略以及比例选择策略。在借助遗传算法的过程中，主要应用到的参数包含了20个种群规模个体数，0.8的变异幅值，对遗传算法加以执行的最大代数是100，在生成初始的种群之后，展开遗传迭代。

在一般状况下，油气悬架的性能参数基本由整车的载荷、高度以及性能等因素决定，对同类车型有关的参数以及车辆结构的参数加以综合考虑，便能够顺利得出设计变量取值范围以及初始值，将优化的结果可以精确至㎜，并且得到优化前后的目标函数。

笔者在相应实验中发现，经过优化之后，车辆振动响应得到明显的改善，驾驶员主观感受当中并未出现不舒适的感觉。

2.4优化分析

（1）重型矿用自卸车油气悬架非线性的动力学特征十分明显，很难借助普通的解析方法精确地对其展开分析，而文中应用到的仿真模型分析，便可以有效实现上述需求。

（2）通过有效构建重型矿用自卸车油气悬架的仿真模型以及优化模型，并且经由合理的编程，以及借助遗传算法对油气悬架参数展开优化设计，不仅可以使车辆自身平顺性、驾驶舒适性得到有效提升，更能够为今后非线性的悬架结构、系统优化工作提供有效借鉴。

结论

总体而言，笔者针对和重型矿用自卸车油气悬架的非线性特征，有效创建相应模型，通过深入研究为今后有关实验提供可靠参考，并对油气悬架阻尼、刚度等对人体、车身的影响加以简要分析，探寻提高驾驶员驾驶舒适度、延长重型矿用自卸车使用寿命的参数优化方式，最大限度地使之满足平顺性的现实需要。

参考文献：

[1]刘伯庚.非线性油气悬架参数优化设计[D].北京理工大学，2016.

[2]陶建建.矿用自卸车悬架系统设计与优化[D].湖南大学，2015.