关于轮式装载机减振方法的探讨
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煤炭科技
COALSCIENCE&TECHNOLOGYMAGAZINE2009年第2期
No.22009
振动和噪声是装载机工作时的两大公害。发动
机是装载机主要振源,振动不仅对发动机本身产生
影响,而且振动的传播直接影响到装载机的可靠性
和使用寿命,同时使司机的乘坐舒适性变差,降低工
作效率。因此,必须采用一些有效方法来减少振动。
1轮式装载机产生振动的原因
装载机振动的原因主要是装载机本身旋转部件
的转动,如发动机汽缸内燃气压力的周期性变化和
运动件周期性变化的不平衡惯性力,会使曲轴系统
和发动机产生振动。外部的激励作用也使装载机产
生振动,如装载机铲掘和卸料导致载荷发生变化,装
载机行使时路面不平、车速和运动方向的变化使地
面对轮胎作用力的大小和方向突然发生变化等。
2轮式装载机振动特性分析
如果把轮式装载机作为一个系统来研究,装载
机本身是一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统,而
振幅和频率是反映系统振动特性的两个重要参数。根据振动理论,激振力和位移的传递都与频率有关,显然振幅和频率间也存在内在的联系。频率分固有
频率和激励频率。激励频率是轮式装载机的工作任
务要求所确定的,是随机的、无法控制的(如装载机
由地面不平度引起的激励)。而固有频率源自于装载
机的结构和设计,主要由质量、质量分布、质心位置、刚度及轴距等多个因素影响和多个因素的交互作用
所确定。因为固有频率其值正比于刚度,反比于质
量,且通常情况下,激励频率高于固有频率。当固有
频率等于激励频率时,就会发生共振,发生共振时振幅最大。按振动规律,当频率比大于1.414时,即进
入隔振区,使振动传递系数小于1,才有减振和隔振
效果。因此,在设计过程中,装载机质量已确定时,适
当降低其刚度,有利于降低设备的固有频率。实际
上,对应不同工件要求,通常都有一个最低刚度的限
制值,例如作为驾乘座椅的悬架弹簧,其刚度不低于
3000N/m。若固有频率远远小于激励频率,不仅增
大振动衰减率,而且还远离“共振区”,例如当阻尼比
小于0.1,频率比为3.6时,就可以衰减掉90%的振
幅。设计时,选择合适的阻尼比能使系统在振动放大
区的幅值,尤其是共振峰值有明显的衰减作用。如驾
乘座椅悬架的阻尼比在0.25~0.50范围内是较合
适的。振动规律表明,有多种振动,就有多种振型,并
且总是以最低的固有频率所对应的振型为主。轮式
装载机行驶中,在既有竖向线振动又有俯仰角振动
的耦合振型时,为避免产生剧烈的俯仰振动,使激励
频率大于俯仰角振动固有频率,并且俯仰角振动固
有频率大于竖向线振动固有频率,实践证明,这种情
况是有利于系统的动态特性。
3轮式装载机振动的应对措施
3.1振源控制
振源控制贯穿于设计、制造乃至使用的全过程,体现在诸如改善发动机平衡性能、动力学性能、零部
件的加工与装配精度等。削弱激振源和避免共振首
先应从设计阶段考虑,要在整体设计中贯穿系统工
程思想,充分应用现代设计方法,如有限元设计,可
靠性设计,稳健设计,优化设计,计算机辅助设计以文章编号:1008-3731(2009)02-0018-02
关于轮式装载机减振方法的探讨
丁建俊,曹万涛
(徐州华东机械厂,江苏徐州221006)
摘要:通过分析轮式装载机产生振动的原因及装载机的振动特性,从控制振源、参数选择及
隔振等方面讲述了减振措施,并提出了轮式装载机减振的可行方法。关键词:轮式装载机;振动特性;减振
中图分类号:TD422.3文献标志码:B182009年第2期丁建俊等:关于轮式装载机减振方法的探讨
及智能系统和专家系统设计。发动机在工作中产生
振动的形式是多样的,主要原因有:发动机重心周期
性移动,往复运动件沿气缸上下作用的惯性力,所有
旋转运动件的离心惯性力,气体压力交替作用引起
曲轴回转周期变化等。这些不平衡力和力矩通常可
以通过附加平衡轴和安装平衡块来消除或削弱,还
可以通过改变发动机结构设计参数来调整系统的固
有频率,避免结构共振,改进系统振动特性。如通过
对机体的模态分析和有限元计算,来研究机体的固
有频率的振型等。3.2从参数选择上进行抑制
轮式装载机行驶中产生振动的根本原因在于车
体的振动固有频率正好处于路面起伏不平所引起的
干扰作用频率范围内,亦即发生共振而引起。为避免
共振的发生,在设计时进行车体振动特性计算,使车
体振动固定频率不处于路面可能引起的干扰频率范
围之内。研究发现,路面干扰频率与行车速度成正
比而与路面起伏不平的波长成反比。通过大量实测
确定一般路面的平均波长范围,将不同速度引起的
干扰频率限制在一个较小的范围。在设计时,尽可能
增大轴距,并采用更优化的结构和材料使整机质量
减小。分布质量尽可能靠近车体质心,以使绕质心的
转动惯量小。此外,应选用更为理想的有较大阻尼系
数和较小弹性系数的装载机专用轮胎。3.3采取振动隔离措施
3.3.1橡胶隔振
在装载机发动机与后车架安装所采用的多点支
撑中增加橡胶减振块。一方面由于橡胶减振块的弹
性缓冲了发动机自身的振动,使之尽可能少地传递
给后车架;另一方面也缓冲了车架的振动,使之尽可
能少地传递给发动机。徐州华东机械厂生产的轮式
装载机发动机安装时,全部采用橡胶锥形支承系统。这种隔振装置结构简单,成本低,性能可靠。橡胶支
承一般是安装在装载机后车架上,根据受力情况分
为压缩型、剪切型和压缩-剪切复合型等。压缩型结
构简单,制造容易,应用广泛,且由于自振频率较高,一般限于垂直方向上使用。剪切型自振频率较低,但
强度不高。压缩-剪切复合型综合了前面两种结构
的优点,可以满足耐久性和可靠性的要求。压缩-剪
切复合型是目前国内最广泛采用的一种橡胶隔振方
法。为了使隔振橡胶支承系统具有较好的减振性能,参数要求同一方向的弹簧常数不变。在其它方向刚
度加强的情况下,可在橡胶中间加入钢板来改变压
缩-剪切的弹簧常数。这样也可使外形尺寸减小。3.3.2螺旋钢丝绳隔振
钢丝绳作为减振元件,具有低频大阻尼、高频低
刚度、变参数的性能,因而能有效地降低机体振动。与传统的橡胶减振器相比。具有抗油、抗腐蚀、抗温
差、抗高温、耐老化及体积小等优点,隔振效果主要
取决于它的非线性迟滞特性。钢丝绳隔振器的加速
度传递率与频率有关,即使在共振的情况下,钢丝绳
隔振器的加速度传递率也小于1。因此,采用钢丝绳
隔振器可以有效地抑制共振。当外界激励频率接近
隔振器固有频率,振幅放大时,钢丝绳隔振器逐渐变
软,使固有频率远离激振频率,钢丝绳隔振器的变频
特性自动地改变固有频率,避免共振。3.3.3液压隔振
传统的橡胶支承系统由金属板件和橡胶组成,其特点是结构简单,制造成本低,但动刚度和阻尼损
失角的特性曲线基本上不随激励频率变化。液压支
承系统是传统橡胶支承与液压阻尼组成一体的结
构,通过对其动刚度及阻尼损失角曲线分析可知:液
压支承的动刚度在频率为10Hz左右时达到最小,在频率为20Hz左右时达到最大,而后开始下降;在
频率超过30Hz以后趋于平稳。液压支承的阻尼损
失角在频率为5~25Hz范围内比较大。由此可知,液压支承的动刚度及阻尼损失角有很强的变频特
性,在低频率范围内能提供较大的阻尼,对装载机大
幅值振动起到迅速衰减的作用,中高频时具有较低
的动刚度,能有效地降低振动与噪声。
4结语
随着人们对装载机性能要求的不断提高,传统
的减振技术越来越不能满足要求,采用新的减振技
术势在必行。今后,装载机产品一方面要继续应用现
代设计方法和手段,采用先进的制造技术,提高发动
机的设计制造水平,从而减少或消除发动机工作过
程中所产生的有害激振力和力矩;另一方面要采用
控制有效、造价合理的发动机减振系统,使其全面发
挥作用,从而减少发动机振动对装载机性能的影响,提高装载机的可靠性、舒适性和作业效率,进而提高
产品在市场上的竞争能力。
作者简介:丁建俊(1979—),男,内蒙古赤峰人,2003年毕业于河北工程大学机械设计及其自动化专业,徐州华东机械厂技术监督部助理工程师。
(收稿日期:2008-12-15)19