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摘要：针对矿用胶轮车在矿道中的行驶振动性能问题，文中研究了含单气室油气悬架的胶轮车的1/4物理模型及其数学模型，并基于液压软件AMESim和控制软件Matlab Simulink分别搭建了胶轮车的机械仿真模型、坑道模型及道路评价系数。对胶轮车分别以15km/h和20km/h的车速在坑道中进行仿真研究，仿真结果表明：胶轮车的车身加速度、轮胎载荷在坑道中行进时呈现随机性，而且这种随机振动程度随着车速的增大而增大。从道路评价系数中也可知，车速越高，道路评价系数值越大，从而车辆对坑道的破坏在增加。
关键词：胶轮车；振动性能；单气室油气悬架；蓄能器；道路评价系数
中图分类号：O329
矿用胶轮车[1]是一种煤矿井下作业时的运输工具，主要用于运输人员、设备、矸石以及煤炭等。由于矿道里路况环境的恶劣以及从安全性角度出发，对矿用胶轮车的振动性能提出了较高的要求，考虑到钢板弹簧、螺旋弹簧等传统悬架系统在改善胶轮车振动性能方面的作用有限，国内外开始研究在胶轮车上采用油气悬架系统。
油气悬架系统[2-3]是以油液传递压力，以惰性气体氮气为弹性介质的一种新型悬架系统。本文主要以矿用胶轮车为研究对象，借助液压软件AMESim和控制软件Matlab Simulink分别搭建了胶轮车机械模型、坑道模型及道路评价模型等，并研究了胶轮车以两种不同车速在坑道中行驶时，胶轮车的振动性能情况。
1 胶轮车1/4物理模型和数学模型
1.1 1/4胶轮车物理模型
文中为了简化分析，取该型胶轮车1/4模型进行分析，具体如图1（1）所示，其中，1-悬挂缸；2-阻尼孔；3-单向阀；4-活塞杆组件；5-蓄能器。
在图1（1）中，悬架质量m1通过单气室油气悬架系统和车桥m2等相连，同时，通过轮胎刚度k和阻尼c支撑在地面上。研究系统的振动性能时需要给胶轮车系统输入路面不平度激励r以模拟胶轮车在矿道中运行。
1.2 1/4胶轮车数学模型
由图1简化的1/4胶轮车2自由度物理模型，悬架质量的受力平衡方程为：
m1x1″=F-m1g （1）
式中：m1为悬挂质量；F为油气悬架活塞杆输出力；x1为车体垂向位移。
非悬架质量的受力平衡方程为：
m2x2″=k（r-x2）+c（r′-x2′）-F （2）
式中：m2为非悬架质量；k为轮胎刚度系数；c为轮胎阻尼系数；r为路面不平度；x2为非悬架质量垂向位移。
2 仿真模型建立
2.1 仿真模型
AMESim软件[4]是国际上分析液压问题的专业工具，同时，也可以实现机械、液压、电、热和磁等多学科领域的建模和仿真，因此，文中利用AMESim软件提供的液压库和液压软件设计库中的悬架缸、蓄能器、单向阀及阻尼孔等模块，用机械库中的质量块分别模拟悬架质量和非悬架质量；线性弹簧-阻尼系统模拟轮胎，并进而搭建了1/4胶轮车的仿真模型；Matlab Simulink软件搭建了随机路面模型及矿用胶轮车对地面的评价系数。分别如图1（2）和（3）所示。
2.2 坑道模型和道路评价系数
文中的路面不平度模型采用严天一等人的文献中提出的滤波白噪声法。由于煤矿坑道中的路面较差，文中分析了采用E级路面来模拟坑道路况，车速分别选择15km/h和20km/h，则：
q′=-2π？0q+2π （3）
式中：？0为下截止频率，？0=0.1Hz；Gq（n0）为路面不平度系数，E级路面情况下，Gq（n0）=40.96×10-4m3/cycle；v0为车速；w（t）为均值为零的高斯白噪声。
英国学者Cole和 Cebon等[5]认为轮胎载荷在空间上具有一定的可重復性，因此，将“空间可重复性”计入车辆-路面的损失评判中，提出了95百分位四次幂和力评价指标，其可用下式表示：
（4）
式中：为A4的标准偏差；为A4的均值；A4为车辆车轴载荷之和的四次幂。
3 结果分析
在文中对矿用胶轮车分别以两种不同车速在坑道中行进时，车体振动变化情况以及轮胎对坑道路面的影响情况进行了研究。
从图2中可以看出，矿用胶轮车在坑道中车身振动呈现出随机特性，其中以15km/h行进时车体振动响应要低于20km/h的车体振动。
从图3中可以看出，胶轮车的轮胎载荷也呈现出随机性，其中15km/h运行时的轮胎载荷也低于20km/h时的情况。胶轮车在坑道中行进时，以15km/h运行时，道路评价系数为2.501，而以20km/h运行时，道路评价系数为2.643。
综上所述，矿用胶轮车在坑道中行驶时车速不易过快，这样对改善车辆的振动性能有重要的意义。
4 结论
通过对矿用胶轮车的物理模型和数学模型进行分析，在此基础上，运用液压软件AMESim和控制软件Matlab Simulink分别搭建了胶轮车的机械模型、油气悬架模型、坑道模型以及道路评价系数。通过对胶轮车以两种不同的车速在坑道中行驶研究，获得胶轮车车体振动加速度、轮胎载荷等关键响应参数，得出胶轮车在坑道中行驶时，车速不易过快，这样对改善胶轮车的振动具有重要的意义。
参考文献
[1]张宏.井下胶轮车油气悬架系统数值模拟[J].煤炭科学技术，2010，38（8）：100-103.
关键词：胶轮车；振动性能；单气室油气悬架；蓄能器；道路评价系数
中图分类号：O329
矿用胶轮车[1]是一种煤矿井下作业时的运输工具，主要用于运输人员、设备、矸石以及煤炭等。由于矿道里路况环境的恶劣以及从安全性角度出发，对矿用胶轮车的振动性能提出了较高的要求，考虑到钢板弹簧、螺旋弹簧等传统悬架系统在改善胶轮车振动性能方面的作用有限，国内外开始研究在胶轮车上采用油气悬架系统。
油气悬架系统[2-3]是以油液传递压力，以惰性气体氮气为弹性介质的一种新型悬架系统。本文主要以矿用胶轮车为研究对象，借助液压软件AMESim和控制软件Matlab Simulink分别搭建了胶轮车机械模型、坑道模型及道路评价模型等，并研究了胶轮车以两种不同车速在坑道中行驶时，胶轮车的振动性能情况。
1 胶轮车1/4物理模型和数学模型
1.1 1/4胶轮车物理模型
文中为了简化分析，取该型胶轮车1/4模型进行分析，具体如图1（1）所示，其中，1-悬挂缸；2-阻尼孔；3-单向阀；4-活塞杆组件；5-蓄能器。
在图1（1）中，悬架质量m1通过单气室油气悬架系统和车桥m2等相连，同时，通过轮胎刚度k和阻尼c支撑在地面上。研究系统的振动性能时需要给胶轮车系统输入路面不平度激励r以模拟胶轮车在矿道中运行。
1.2 1/4胶轮车数学模型
由图1简化的1/4胶轮车2自由度物理模型，悬架质量的受力平衡方程为：
m1x1″=F-m1g （1）
式中：m1为悬挂质量；F为油气悬架活塞杆输出力；x1为车体垂向位移。
非悬架质量的受力平衡方程为：
m2x2″=k（r-x2）+c（r′-x2′）-F （2）
式中：m2为非悬架质量；k为轮胎刚度系数；c为轮胎阻尼系数；r为路面不平度；x2为非悬架质量垂向位移。
2 仿真模型建立
2.1 仿真模型
AMESim软件[4]是国际上分析液压问题的专业工具，同时，也可以实现机械、液压、电、热和磁等多学科领域的建模和仿真，因此，文中利用AMESim软件提供的液压库和液压软件设计库中的悬架缸、蓄能器、单向阀及阻尼孔等模块，用机械库中的质量块分别模拟悬架质量和非悬架质量；线性弹簧-阻尼系统模拟轮胎，并进而搭建了1/4胶轮车的仿真模型；Matlab Simulink软件搭建了随机路面模型及矿用胶轮车对地面的评价系数。分别如图1（2）和（3）所示。
2.2 坑道模型和道路评价系数
文中的路面不平度模型采用严天一等人的文献中提出的滤波白噪声法。由于煤矿坑道中的路面较差，文中分析了采用E级路面来模拟坑道路况，车速分别选择15km/h和20km/h，则：
q′=-2π？0q+2π （3）
式中：？0为下截止频率，？0=0.1Hz；Gq（n0）为路面不平度系数，E级路面情况下，Gq（n0）=40.96×10-4m3/cycle；v0为车速；w（t）为均值为零的高斯白噪声。
英国学者Cole和 Cebon等[5]认为轮胎载荷在空间上具有一定的可重復性，因此，将“空间可重复性”计入车辆-路面的损失评判中，提出了95百分位四次幂和力评价指标，其可用下式表示：
（4）
式中：为A4的标准偏差；为A4的均值；A4为车辆车轴载荷之和的四次幂。
3 结果分析
在文中对矿用胶轮车分别以两种不同车速在坑道中行进时，车体振动变化情况以及轮胎对坑道路面的影响情况进行了研究。
从图2中可以看出，矿用胶轮车在坑道中车身振动呈现出随机特性，其中以15km/h行进时车体振动响应要低于20km/h的车体振动。
从图3中可以看出，胶轮车的轮胎载荷也呈现出随机性，其中15km/h运行时的轮胎载荷也低于20km/h时的情况。胶轮车在坑道中行进时，以15km/h运行时，道路评价系数为2.501，而以20km/h运行时，道路评价系数为2.643。
综上所述，矿用胶轮车在坑道中行驶时车速不易过快，这样对改善车辆的振动性能有重要的意义。
4 结论
通过对矿用胶轮车的物理模型和数学模型进行分析，在此基础上，运用液压软件AMESim和控制软件Matlab Simulink分别搭建了胶轮车的机械模型、油气悬架模型、坑道模型以及道路评价系数。通过对胶轮车以两种不同的车速在坑道中行驶研究，获得胶轮车车体振动加速度、轮胎载荷等关键响应参数，得出胶轮车在坑道中行驶时，车速不易过快，这样对改善胶轮车的振动具有重要的意义。
参考文献
[1]张宏.井下胶轮车油气悬架系统数值模拟[J].煤炭科学技术，2010，38（8）：100-103.