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空气弹簧准零刚度隔振器的特性分析及应用研究

任旭东  
【摘要】:提高车载担架支架隔振系统的隔振效果,对于改善伤病员乘卧和乘坐舒适性,提升急救车的品质具有非常重要的意义。本文在总结准零刚度隔振器的国内外研究进展以及隔振技术在车载担架支架隔振领域的研究应用现状的基础上,针对越野型急救车运送伤病员的数量、质量以及姿态的不同而导致隔振系统承载质量发生变化的使用要求,基于空气弹簧设计了一种新型承载力可调节的准零刚度隔振器。通过理论分析与试验研究,全面探究了新型空气弹簧准零刚度隔振器的力学特性和隔振缓冲性能,并将空气弹簧准零刚度隔振器应用于某型越野急救车,建立了急救车车载担架支架隔振系统,通过道路试验对其隔振效果进行了分析与评价。主要工作内容及结论如下:(1)空气弹簧准零刚度隔振器的设计及其静力学特性研究。采用空气弹簧作为隔振元件,基于正负刚度并联隔振原理,设计了一种新型承载力可调节的准零刚度隔振器,并对其进行了静力学特性研究。通过分析不同参数对空气弹簧准零刚度隔振器静力学特性的影响规律,得到了其具有准零刚度特性的参数条件。研究表明,当初始气压一定时,适当增加连杆长度与承载平台连接点到水平空气弹簧安装基座的距离,该隔振器在平衡位置附近的准零刚度特性位移范围相应增大。当空气弹簧准零刚度隔振器结构参数确定后,其刚度由水平空气弹簧和竖直空气弹簧的初始气压决定。当竖直空气弹簧初始气压一定时,通过增加水平空气弹簧的气压来增大其在竖直方向上的负刚度,可以相应降低该隔振器的刚度。当水平空气弹簧初始气压增大到一定程度后,隔振器出现负刚度。当隔振器承载质量发生变化时,通过调节竖直和水平空气弹簧的初始气压,可使其保持较好的准零刚度特性。(2)空气弹簧准零刚度隔振器的动力学特性研究。为了解空气弹簧准零刚度隔振器的非线性特性,在静力学特性研究的基础上,对其进行了非线性动力学特性研究。建立了空气弹簧准零刚度隔振系统在谐波位移激励条件下的非线性运动微分方程,运用谐波平衡法求解得到系统的稳态响应解,采用绝对位移传递率作为评价指标,研究了不同激励幅值、阻尼比和结构参数对系统隔振性能的影响,并与单个空气弹簧隔振系统的隔振性能进行了比较。研究表明,在相同激励幅值的条件下,空气弹簧准零刚度隔振系统相对于单个空气弹簧隔振系统能够隔离更低频的振动,且当激励频率大于空气弹簧准零刚度隔振系统的向下跳跃频率时,空气弹簧准零刚度隔振系统具有更好的隔振性能。适当地控制激励幅值有益于空气弹簧准零刚度隔振系统获得更好的低频隔振性能。增大阻尼比会使两个系统绝对位移传递率的最大值和不稳定区间减小,且当阻尼比增大到一定程度时,空气弹簧准零刚度隔振系统绝对位移传递率的最大值消失,这意味着适当的阻尼将有效改善空气弹簧准零刚度隔振系统的隔振性能。同时,增大结构参数?和?的取值,空气弹簧准零刚度隔振系统将具有更小的隔振起始频率,从而具有更好的低频隔振性能。(3)空气弹簧准零刚度隔振器的试制与试验研究。在理论研究的基础上,设计试制了空气弹簧准零刚度隔振器原理样机,并对样机进行了静动态试验研究。通过静力试验研究得出:在静力平衡位置承载相同的质量时,空气弹簧准零刚度隔振器在整个位移范围内的刚度都小于单个空气弹簧,说明其在保持较高静态刚度的同时,具有更小的动态刚度,尤其在静力平衡位置附近的较大位移范围内趋近于零,这表明空气弹簧准零刚度隔振器具有较好的准零刚度特性;当改变竖直空气弹簧的初始气压时,其静力平衡位置的承载力将发生变化,则可以通过调节水平弹簧的初始气压,使隔振器保持准零刚度特性,这表明空气弹簧准零刚度隔振器对于变承载质量的隔振系统能够达到较好的隔振效果。同时,开展了不同激励幅值条件下的谐波扫频激励振动试验,以及不同振幅和激振频率条件下的定频谐波激励振动试验。试验表明:相对于单个空气弹簧隔振系统,空气弹簧准零刚度隔振系统具有更小的共振频率、隔振起始频率和最大传递率峰值;但是由于较大阻尼的存在,系统趋于线性;且空气弹簧准零刚度隔振系统的隔振起始频率和共振频率随着激励幅值的增大而减小,最大传递率峰值随着激励幅值的增大而增大。除此之外,开展了半正弦波和后峰锯齿波两种波形的冲击激励试验。试验表明:空气弹簧准零刚度隔振系统对冲击激励具有较好的衰减效果,其抗冲击能力优于单个空气弹簧隔振系统。(4)空气弹簧准零刚度隔振器在某型越野型急救车上的应用研究。将空气弹簧准零刚度隔振器应用于某型越野急救车,建立了车载担架支架隔振系统,并对其进行了卧姿伤病员乘卧舒适性和坐姿伤病员乘坐舒适性试验。试验表明,针对运送1名卧姿伤病员和3名坐姿伤病员两种工况,当越野型急救车以不同车速分别在沥青路和乡村土路等速行驶时,该隔振系统均取得了较好的隔振效果,证明空气弹簧准零刚度隔振器对于变质量隔振系统具有较好的隔振性能。同时,由伤病员振动舒适性分析评价结果发现:当越野型急救车以不同车速在沥青路等速行驶时,1名卧姿和3名坐姿伤病员的舒适性级别评价结果均为“非常舒适”;而在乡村土路行驶时,除车速50km/h时后方坐姿伤员舒适性级别评价结果为“比较舒适”外,其余评价结果均为“舒适”。本文通过对新型空气弹簧准零刚度隔振器的理论分析、试验测试和应用研究,验证了空气弹簧准零刚度隔振器设计思路的合理性、研制开发的可行性和实际应用的有效性。将其应用于越野型急救车车载担架支架隔振系统,对提升急救车的乘卧和乘坐舒适性具有较大的实际意义和应用价值。


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