大型喷杆及其摆式悬架减振系统动力学特性分析与试验

针对摆式悬架减振系统对喷杆动力学行为影响机理的复杂性,利用第二类拉格朗日方法建立了描述喷杆-悬架系统倾斜运动、垂向运动的数学模型。在MATLAB/Simulink中进行了瞬态响应分析、频率响应分析,研究了动力参数对其特性的影响。在此基础上,以某大型喷杆及其摆式减振悬架为试验对象,通过六自由度运动模拟平台输出翻滚和垂向运动激励,采用超声波距离传感器、IVDT位移传感器等进行数据采样分析,测得喷杆瞬态动力学响应及频率响应特性,并与模型预测进行对比,验证了数学模型的准确性。最后通过扫频振动试验确定了系统的频率响应峰值及对应频率,着重分析了阻尼、刚度系数对喷杆振动特性的影响规律:在一定范围内增加阻尼可以减弱系统振荡,增加刚度有利于提高悬架响应速度。研究为大型喷杆悬架参数优化配置提供理论依据与试验方法,有利于中国大型喷杆(大于12 m)动力学特性试验方法、检测标准的完善。     

大型喷杆悬架系统测试平台设计与评价方法研究

目前喷杆悬架系统的性能田间测试受到测试地形、土壤属性、驾驶熟练度等随机因素的影响,需要有一种定量评估喷杆悬架性能的试验装置与方法。该文开发了一套喷杆悬架性能室内测试平台,包括一个多自由度底盘运动模拟平台、地形起伏模拟平台及基于NI PXI的同步触发测控系统。为准确模拟实际的工作环境,在喷雾机作业现场采集了底盘的运动姿态信号和喷杆两侧地形高程数据,并在室内进行精确复现。考虑测试时传感器安装位置和不同喷杆理想作业高度的差异,对传统的Hockley指数进行了修正,并使用标准差、变异系数、修正的Hockley指数等3种指标一起来描述喷杆悬架系统的性能,弥补了各自的局限性。通过喷杆悬架测试平台先后对28 m喷杆在无悬架、被动悬架、主动悬架等不同工况下进行了测试,多组重复测试结果的变异系数小于5.91%,无悬架时喷杆的Hockley指数为21.60,使用被动悬架时喷杆的Hockley指数为68.37,使用主动倾角控制系统时喷杆的Hockley指数为89.18,使用主动喷臂控制系统时的Hockley指数为92.83,表明测试平台与评价指标对不同悬架系统有较好的区分度和适用性。该文设计的测试平台可为喷杆悬架性能参数的限定和评价方法的完善提供参考。     

大型高地隙喷雾机喷杆主动悬架自适应模糊滑模控制

针对喷杆被动悬架在低频下隔离干扰性车身摆动性能不足的问题,该文在双连杆梯形喷杆被动悬架的基础上加装作动液压缸而获得喷杆主动悬架,并提出了基于自适应模糊滑模控制算法的喷杆主动悬架控制方法;在建立了喷杆主动悬架动力学模型和液压系统模型的基础上,应用Matlab/Simulink对主动悬架系统进行整体仿真分析,验证了该文控制方法的有效性;基于课题组开发的大型高地隙喷雾机搭建了实车试验平台,分别进行了实车静态跟随试验和田间试验。试验结果表明：采用基于自适应模糊滑模控制算法的喷杆主动悬架控制方法,喷杆倾角实车静态跟随响应时间和误差分别为2 s和0.002 rad,相较于PID控制的4 s和0.002 rad响应时间减小;同时,喷杆倾角田间试验摆动范围保持在-0.005～0.005 rad内。结论表明,该文提出的喷杆主动悬架控制方法具有良好的响应性、稳定性和准确性,可有效隔离干扰性车身摆动并保持喷杆稳定。该研究有利于提高中国大型高地隙喷雾机喷雾均匀性和喷杆作业稳定性。     

基于有限元模型的喷雾机喷杆弹性变形分析与控制

以研究和抑制喷杆弹性变形为目的,基于ANSYS平台建立了喷杆的有限元模型并进行了数值模态分析,利用试验模态分析的方法对有限元模型及其模态信息进行了验证。依据所建立模型及其模态信息,在ADAMS平台中建立了机架喷杆模型,并对偏转、振荡以及翻滚3种典型运动引起的喷杆末端弹性变形量分别进行了谐响应分析,结果表明振荡是造成喷杆弹性变形的主要因素。为了抑制喷杆的弹性变形,在喷杆与机架之间添加了拉索,并分析了拉索安装在4种不同位置时,喷杆受到频率范围为0~10 Hz振荡激励后的弹性变形情况,结果表明:3/4喷杆位置处为4种安装位置中最合适处,此时喷杆各处形变量均小于10 mm,为4种中最小,相较未添加拉索时喷杆末端产生接近80 mm弹性变形来说,对弹性变形的抑制效果明显。     

考虑驱动电机激振的电动车油气悬架系统振动分析

电传动车辆中轮边驱动电机壳体振动直接作用于悬架下端,为评价电机激振力对悬架系统的输出影响,在考虑电机—路面不平度耦合激励影响下构建系统运动微分方程组进行分析。应用气体状态方程和油液孔口出流方程建立了单气室油气悬架非线性数学模型,采用麦克斯韦应力法对异步电机竖直方向激振力进行求解,采用白噪声滤波法模拟时域内随机路面,将耦合激励信号作用于系统模型,将悬架输出力和电机激振力带入系统运动方程组联立求得数值解,改变参数可进行多工况下平顺性仿真,并通过实车试验与耦合振动模型进行了对比。结果表明在常见正弦路面激励下,在考虑电机激振影响下系统输出振幅约增大10%且达到稳定所需时间更长。高频激振力使系统加速度功率谱幅值变大,在激振力自身频率段影响明显,不可忽略。通过分析实测数据与仿真数据,验证了耦合激励模型在实车中的有效性;耦合激励模型对电动车悬架及整车平顺设计有指导意义。     

连通式油气悬架数学模型及特性分析

为研究参数变化对连通式油气悬架刚度与阻尼特性的影响,该文建立了连通式油气悬架非线性数学模型,并考虑了液体的压缩和运动过程中摩擦力的影响。通过搭建试验台并建立仿真模型,将理论、试验、仿真数据进行对比,误差在10%以内,验证了数学模型的正确性。基于该数学模型讨论了初始充气压力、激励频率与初始相位差变化对连通式油气悬阻尼刚度特性的影响,分析结果表明:初始充气体积增大连通式油气悬架刚度减小;激励频率与左右两侧悬架缸相位差增大系统刚度、阻尼均增大;初始充气压力变化对其性能影响较小。     

车辆钢板弹簧悬架系统减振器最佳阻尼匹配

阻尼匹配是制约钢板弹簧悬架系统减振器设计的关键问题。根据1/4车辆二自由度行驶振动模型,利用随机振动理论,建立了悬架系统最优阻尼比及悬架动挠度和振动速度均方根值数学模型。在此基础上,通过分析、处理钢板弹簧加载-卸载试验所测得的载荷及变形数组数据,建立了在实际行驶工况下的钢板弹簧等效阻尼数学模型;根据悬架系统最优阻尼比及钢板弹簧的等效阻尼,得到了所需匹配减振器在悬架系统中应承担的最佳阻尼比;利用平安比及双向比,建立了钢板弹簧悬架系统最佳阻尼匹配减振器的速度特性,并通过仿真分析和实车行驶平顺性试验验证了钢板弹簧悬架系统减振器最佳阻尼匹配设计方法的正确性及有效性,利用该设计方法匹配减振器后的车身垂直振动加速度均方根值与传统经验法相比降低了6.72%,能够有效改善车辆的乘坐舒适性。该研究可为钢板弹簧悬架系统减振器的设计提供参考。     

悬架杠杆比对油气弹簧阀系设计参数的影响

为了把握车辆悬架杠杆比对阀系设计参数的影响和变化规律，以便加快具有不同悬架杠杆比的油气弹簧阀系参数设计，文中利用油气弹簧节流阀片厚度和节流缝隙与悬架杠杆比之间的关系式，建立了杠杆比阀系参数影响系数。对杠杆比对阀片设计厚度和节流缝隙大小的影响进行了分析，并建立了阀系参数影响系数推算设计方法。通过实例，利用解析设计和影响系数推算设计方法，分别对阀系参数进行了设计，并对两种方法的设计值进行了比较，对设计油气弹簧进行了特性试验。参数设计和特性试验结果表明：在实际情况下，油气弹簧阀片设计厚度和节流缝隙与悬架杠杆比之间可线性化，杠杆比影响系数推算设计方法是准确可靠的，可加快油气弹簧开发设计速度。     

喷雾机喷杆结构形状及截面尺寸优化与试验

针对喷雾机喷杆结构动力学特性原始设计缺陷,该文提出了一种基于遗传算法的多变量优化方法。以平面十八杆桁架单元为基础结构,在Abaqus平台中建立了单侧喷杆参数化有限元模型。基于Isight多学科多目标优化平台提取模型设计变量组及优化目标,采用多岛遗传算法(multi-island genetic algorithm,MIGA)对喷杆桁架结构形状及杆件截面尺寸进行优化,得到了一阶固有频率为10.87 Hz,质量为35.82 kg,幅宽为5 m的单侧喷杆结构模型。根据优化后模型的结构参数制造喷杆样品,通过对其进行模态试验验证了数值模型的准确性。针对优化前、后喷杆模型进行了以位移功率谱密度(power spectrum density,PSD)函数为激励的随机振动仿真,结果表明,优化后喷杆模型的质量下降并没有明显增加其在竖直方向上振动位移响应量。该文研究结果可为进一步研究喷雾机喷杆结构的动力学性能优化提供依据。     

油气悬架囊式蓄能器真实气体多变指数模型建立及验证

蓄能器内氮气多变过程模型的精度是影响油气悬架系统特性分析的关键因素之一。为了更加精准地描述蓄能器内氮气的真实多变过程,该文利用蓄能器试验台开展了蓄能器不同振幅和频率的正弦激励试验,通过试验数据综合分析发现氮气体积压缩率和体积压缩速率与气体压力呈一定线性关系。在此基础提出了一种基于体积压缩率和体积压缩速率的真实气体多变指数模型。为了验证模型的正确性和准确性,通过蓄能器试验数据对提出的多变指数模型中的2个变量系数进行辨识和模型仿真结果的对比验证,并利用6个悬挂缸的整车油气悬架系统试验平台对模型进行试验验证,结果表明：仿真预测结果与试验数据的平均误差为5.12%,最大误差小于10.9%,满足工程设计的要求。该囊式蓄能器的气体多变指数模型为更加准确研究油气悬架系统真实特性奠定了基础。     

PM—Power and Machinery: Development of a Slow Active Suspension for Stabilizing the Roll of Spray Booms,Part 1: Hybrid Modelling

In this paper, a hybrid model of a spray boom with cable suspension is developed. It combines an analytical modelling procedure with identification techniques to cope with the limited power in the excitation actuator. The analytical model was used to optimize the passive boom suspension, while the identification part is the first step in the design of a slow active suspension.     

PM—Power and Machinery: Development of a Slow Active Suspension for Stabilizing the Roll of Spray Booms,Part 2: Controller Design

To prevent local under- or over-application of chemicals, a spray boom must be kept parallel to the soil. On a slanted field, the operator, driving a sprayer equipped with a passive boom suspension, has to turn the boom manually in a skewed position. This paper presents the development of a slow active controller to do this automatically and to add damping to the suspension. A controller, designed for a cable suspension, captures the signals of two ultrasonic sensors, measuring the distance between the boom and the soil, and activates a low-power electrical DC motor which positions the boom automatically. Different control strategies have been tried out in simulation and in a laboratory experiment on a six-post electro-hydraulic shaking table. The best controller was implemented on a real spraying machine and validated under field conditions.     

车辆被动天棚阻尼悬架系统台架试验

为进一步改善悬架系统的隔振性能,开发了被动悬架系统,将理想天棚阻尼的被动实现方法应用于车辆悬架系统。基于"惯容.弹簧.阻尼"机械系统,构造被动天棚阻尼悬架系统,研制被动天棚阻尼悬架试验样机,将2级串联型的被动天棚阻尼悬架"对折",安装于试验用裸车的后部,替换原被动悬架,在四通道轮胎耦合道路模拟机上,对整车进行台架试验。试验结果表明:与传统被动悬架车辆相比,在1~3 Hz频率范围内,被动天棚阻尼悬架车辆左后车身加速度增益下降了37.5%,车辆质心垂直加速度均方根值下降12%左右,改善了车辆的低频频响特性,提高了车辆的乘坐舒适性。试验结果同时也验证了理想天棚阻尼被动实现方法的正确性和可行性。该研究为含惯容器的新型被动悬架系统的设计与完善提供参考。