一種主動懸掛式柔性運載緩震裝置

戴懷軒，鄭子君，劉思沾，劉釗旭，王榕淑，褚鑫宇，黃錚

（河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213001）

0 引言

本項目源于某軍用項目：特定軍用物品在復雜崎嶇道路狀況下的運輸裝置設計的深入研究。目前已有的設計方案如彈簧底座減震，多方位彈簧減震，帶有主動控制的減震裝置。因為路況復雜多變，經(jīng)過在模擬體上試驗，均不能達到緩震保護參數(shù)要求。因此我們設計了主動懸掛式柔性集成緩沖運載平臺。通過懸掛的阻尼器對沖擊進行減震，同時傳到減震平臺本身上的沖擊大量降低，并且可以緩沖各個方向的多自由度沖擊，再配合減震物品本身的減震海綿、減震橡膠、塑料等，即可以完美解決此問題。在此基礎之上，可將減震器用于其他運輸場合，增加更加平穩(wěn)的減震效果，以獲取更大的社會和經(jīng)濟效益。

除了軍事方面對減震的需求外，文物運輸、易燃易爆品及骨折傷員的運輸也需要極高的減震，減震效果不好將會造成嚴重的后果，因此我們的平臺做成系列化推廣后可以用于其他所有需要減震或是其他減震不便、減震成本高的場合，適用面極廣，如果加以推廣將會獲得極大的經(jīng)濟效益。僅以貨運為例，在運輸過程中,車輛的啟動、制動及車輛行駛過程中的顛簸和晃動，不可避免會引起運輸貨物的晃動,導致貨物的破損,嚴重時引起爆炸的重大事故。如何降低運輸過程中的損耗，減輕因路況顛簸、運輸機械緊急制動給運輸物件帶來的損傷及提高易燃易爆品的運輸安全性。同時在醫(yī)用行業(yè)，骨折傷員運輸?shù)钠骄徥孢m性也是一大難題，如果不保證減震效果，將會使骨折傷員收到二次傷害，增加受傷嚴重性。基于這些迫切需要解決的生活上普遍存在的、亟待解決的問題，我們研制的主動懸掛式柔性集成緩沖運載平臺，制造成本低，可被廣泛應用來確保各種場合更好的減震并獲得極大的經(jīng)濟效益。

主要的減震器我們選擇的是液壓減震器。而彈簧起到的減震效果較少，主要是起懸掛和提供阻尼回復力的作用。液體在一定條件下可以被壓縮，并會對被壓縮的反方向提供一個反作用力，且在壓縮時液體會吸收外在能量,流動時還會將吸收的能量進行消耗,這樣就達到了減少甚至消除振動的目標，這就是液壓式減震器的工作原理[1]。而國內外學者對減震器方面進行了深度的研究，魏文鵬[2]建立減震器熱力學研究模型,得出外部環(huán)境的溫差對減震器減震穩(wěn)定性的影響和減震器穩(wěn)定工作的阻尼隨溫度改變的變化趨勢。汪通悅[3]通過仿真和理論計算發(fā)現(xiàn)減震器容性的大小隨油液可壓縮能力的增大而增大。所以，從柔和程度、耐用程度和性能方面來說,液壓式減震器比較優(yōu)越。因此，我們的主要減震器采用的是液壓式減震器，但國內學者都是研究性能方面的改善，來提高減震器的減震效果，而該裝置從結構上使得減震效果顯著提高。

1 關鍵技術

該產(chǎn)品為一個懸掛吊裝式的減震平臺，根據(jù)使用需求，上方可以放置物品，而下方的懸掛平臺內也能放置物品。同時，根據(jù)需要減震物品的大小，可以將平臺放大和縮小。下面的懸掛減震裝置多個拼湊排列布置。該裝置由下平臺（集裝箱）、阻尼器上安裝座、彈簧吊架上安裝座、阻尼器、彈簧吊架、阻尼器下安裝座、彈簧吊架下安裝座螺栓、球鉸等部件組成。承重梁安裝在集裝箱內,并與集裝箱的頂部形成可靠連接; 承重梁上的安裝座可靠安裝在其下部; 彈簧吊架上安裝座和阻尼上安裝座均安裝在承重梁的下表面; 彈簧吊裝下安裝座和阻尼器下安裝座均安裝在連接盤上表面；彈簧吊架上下安裝座與對應安裝面形成可靠連接，彈簧吊架通過可靠球鉸與安裝座連接；阻尼器上下安裝座與對應安裝面形成可靠連接，阻尼器通過可靠球鉸與安裝座相連接；三個阻尼器的上下安裝座均勻分布在承重梁（或連接盤）周邊，成空間三角形布置；三個彈簧吊架的上下安裝座均勻分布在承重梁（或連接盤）周邊，與安裝盤平面垂直布置，吊架間相互平行。因此，本柔性運載平臺的連接盤由6根減震裝置支撐起來，其中包括3根阻尼器、3根彈簧支架。彈簧起到支撐懸掛的作用，還可以少量減震，同時吸收能量，并給阻尼一個回復力。而阻尼的作用則是消耗能量，起主要的減震作用。阻尼器通過球鉸進行多方向對稱布置，可以緩沖各個方向的多自由度沖擊。同時采用懸掛的方式可以先將沖擊通過彈簧阻尼配合進行大幅度降低，使得傳遞到載物臺上的振動降至極低在連接盤上彈簧和阻尼兩者交替安裝，連接點與盤心連線互成60°夾角；當受到上下波動或者側方突變加速度時，上下的晃動可以通過彈簧和阻尼在豎直方向阻尼力的分力所抵消。同時，通過球鉸的巧妙布置可以使得阻尼在除了主方向以外的各個方向都產(chǎn)生一定的阻尼力，從而達到與其他減震裝置不同的，不必刻意布置阻尼方位在指定方位減震就能全方位減震的效果。

該裝置有以下關鍵技術：1）采用空間三角形布置形式的懸掛式減震，相比于普通車輛減震器，可以抵抗來自各個角度的振動、沖擊，適用范圍廣，同時懸掛式可以使得減震效果顯著，而后者通常只能削弱豎直方向上的沖擊影響；2）使用環(huán)形定間隙黏滯阻尼孔，相比于目前常用的活塞通孔式阻尼器而言，具有加工方便（活塞外表面和缸體內表面表面粗糙度要求低）、不易發(fā)生磨損失效、參數(shù)可調等優(yōu)點。

圖1 柔性減震平臺結構模型

2 計算分析

2.1 Fluent對阻尼仿真模擬

首先，對裝置的單根黏滯阻尼進行Fluent有限元分析。減震器的實體結構復雜,這給減震器幾何模型的建立和給模型的網(wǎng)格劃分帶來很大困難。在實際建模過程中,必須根據(jù)模擬的內容,先對模型進行結構上的簡化,忽略次要的因素,突出研究重點。本文主要對減震液流過阻尼孔后筒內的流場進行研究，建模假設如下[4]：

1）減震器在運動的時候,活塞和阻尼相對運動，往復的過程中活塞與阻尼缸筒間的相對位移不同，相對速度也不同。所以在此處，我們以減震器運動到某個位置時該時刻筒內流體的運動狀態(tài)作為研究對象。

2）減震器在運動過程中，活塞在內部來回運動，使得環(huán)形間隙中的油液從一個腔流入另一個腔，為了方便建立幾何模型，根據(jù)相對運動定律,我們假設減震器內部活塞不運動，而減震油液以一定的運動規(guī)律往復通過環(huán)形間隙。

3）實際減震器是將一定質量的減震液密閉裝入減震筒內，是定質量的運動。這里，將減震器的運動位置固定后，是定容積的運動。Fluent所建立的液體阻尼器模型采用的是Realizable中的標準k - ε湍流模型，且模型系數(shù)C=1.9，σk=1.0，σε=1.2，減震油液密度為871 kg/m3, 黏度為0.013 kg/（m·s），以初速度為0.5 sinπt（m/s）振蕩速度為速度，入口湍流動能取0.5 m2/s2,湍流耗散率取40 m2/s3，采用SIMPLE 耦合算法，一階迎風的湍流耗散率和湍流動能，把活塞小孔 間 隙 從0.15 ～0.35 mm之間進行對比，得出以下結論。以下為每一個活塞對應流體最大速度和最大壓強分布。

從中可以看出，內部的速度分布和壓強分布隨著小孔間隙的減小逐漸減小，綜合考慮阻尼系數(shù)B（與速度大?。┘皟炔繅簭姺植迹◤姸刃：耍┑挠绊懀覀冞x擇0.2～0.3 mm之間的小孔間隙，根據(jù)0.2 mm的速度V分布隨著時間的求導分布，可以求出其在F=40 N時的平均阻尼系數(shù)B為375。

圖2 柔性平臺三維圖

圖3 壓力分布與環(huán)形間隙的關系

圖4 流體速度分布與環(huán)形間隙的關系

圖5 孔隙為0.2 mm時的速度場分布

2.2 Matlab對阻尼系統(tǒng)仿真分析

圖6 彈簧阻尼共同減震模型圖

在大致確定了流體阻尼以后，進行Matlab反饋調節(jié)進行仿真分析計算，建立彈簧阻尼系統(tǒng)，其中B為阻尼，M為物塊，彈簧系數(shù)為K。輸入位移函數(shù)為xi，輸出位移函數(shù)為x2。

通過有限元分析得出的平均阻尼系數(shù)的約束條件，分析彈簧的剛度系數(shù)。建立彈簧和阻尼聯(lián)合減震的物理模型，液體阻尼系數(shù)為B，彈簧剛度為K，可得出其傳遞函數(shù)為

圖7 彈簧剛度系數(shù)K與調節(jié)時間ts的關系

由圖中可以看出，在平均阻尼系數(shù)確定的情況下，對不同剛度系數(shù)K的彈簧進行Matlab 仿真，為滿足載荷4 kg 裝置要求，選擇剛度系數(shù)不至于過大且調節(jié)時間在1.5 s 左右的使用要求，即選擇剛度系數(shù)為K=1090 N/m的彈簧。

圖8 K=1090 N/m時的調節(jié)時間

3 仿真分析

首先進行分析和假設，物體上下顛簸的加速度慣性負載的大小約為一個g，啟停過程中的慣性負載小于0.5g拐彎過程中的慣性負載小于0.2g。一般汽車10 s內可從零加速到100 km/h, 平均加速度為2.778 m/s2，即大約0.28g，而貨車加速普遍低于這個數(shù)值。于是我們把啟停的加速度定為小于0.5g的范圍。啟停過程和轉彎過程的沖擊可以通過駕駛員的意識來減小沖擊，而上下顛簸的能量對物體運輸?shù)陌踩加兄饕煞郑晕覀円陨舷骂嶔檫\動分析的主方向。同時也在行駛方向上對加速度做了一個調整，使得平臺可以適當消耗行駛方向的加速度能量。同時兼顧了拐彎的因素。可以全方位地降低慣性負載對運輸過程中物品安全的影響。

通過SolidWorks對搭建好的六桿機構進行motion動力學分析，為了和模擬實驗進行對比，我們搭建的平臺質量為4 kg，且上述分析均在4 kg 力作用下。圖9為給平臺施加主方向的外力，即大小為1個g的沖擊載荷，而經(jīng)過彈簧和阻尼配合減震后傳遞到載物臺上的振動加速度僅有（0.30～0.35）g，減 小了65%～70%。

圖9 外力與時間的關系

4 實驗模擬

圖10 平臺加速度與時間關系

為了研究該減震平臺的可靠性，我們搭建了6根阻尼器的模擬緩沖平臺，由于平臺上方可以放置物品，下方也可以懸掛物品（通過螺栓等），為了簡便和實驗模擬，只搭建了一個模擬平臺，而重物即可改變平臺質量來獲得。我們利用LabVLEW軟件和加速度傳感器進行實驗，分別模擬了上下顛簸，急啟急停、左右晃動各5～6組。

從中可以看出，在模擬上下顛簸、急啟急停、左右晃動的實驗條件下，平臺使得加速度顯著減小。上下顛簸的實驗進行了兩次顛簸，可以看出，將1.952g的推車加速度，通過載物臺的減震效果，使得載物臺只有0.5685g的加速度，減去了70%的震動，減震效果顯著，并且與仿真結果吻合，具有可靠性。而急剎車和轉彎也大幅度地降低了振動加速度。初步進行的試驗是在前進方向的加速度的分析。試驗已經(jīng)達到一個比較良好的試驗結果。

圖11 模擬裝置實物圖

5 創(chuàng)新點

減震器要求減輕因路程顛簸、運輸機械急啟急停給運輸物件帶來的損傷，現(xiàn)如今人們對運輸質量要求愈發(fā)嚴格，在運輸文物、玻璃制品、易燃易爆危險品等過程中對減震器的要求表現(xiàn)在：具有較強的減震特性、環(huán)境適應性強、使用壽命長、能承受規(guī)定負載。

該產(chǎn)品在結構和功能的優(yōu)化和創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾點：1）在普通的減震裝置中，通常只有單方向減震或者固定方向減震，而該裝置采用了彈簧懸掛和多向阻尼的結合創(chuàng)新結構，豎直放置的彈簧起到支撐懸掛作用，以及彈性系統(tǒng)的減震效果，呈一定角度放置的液體阻尼器通過球鉸的連接還能做到多方位減震。通過兩種減震的結合，實現(xiàn)多級減震，同時也突出該裝置的柔性運載能力，使得受到?jīng)_擊更低，更平緩，更加安全。2）采用懸掛吊裝的新穎布置方式，可在上表面置物，類似為一個減震平臺，也可在下方載物（放入減震箱中），適合多種場合。同時懸掛式可以先對沖擊進行減震，使得傳遞到平臺上的沖擊降至極低，在通過被減震物品自身擁有的減震橡膠等，可以實現(xiàn)極高的減震保護要求。同時，可以將減震平臺做大，下方的懸掛減震平臺進行多個拼湊排列布置。一方面可以放置大量物品與其上，另一方面也可以將其放在其下方固定的運載箱內（如打開下物蓋，使傷員平躺與下平臺）。3）該裝置為一種利用自然力對震動產(chǎn)生的抑制，為一種無源減震系統(tǒng)，可靠性更高，且可以在原有減震裝置（如車輛減震，減震材料包裝減震）的基礎上（并不需要摒棄其他減震裝置，而是作為一個輔助減震平臺），再放置于該減震平臺之上，可以輕松方便地形成一種疊加的柔性運載平臺系統(tǒng)，在運輸物品包裝等基礎上，進一步提高減震能力。4）該裝置結構簡單，加工方便，阻尼器采用尼龍件注塑工藝，降低了對鋼管的加工要求，鋼筒內壁不必像其他活塞開孔的阻尼器一樣需要高的精度，用精拔拉管即可，節(jié)?。ú恍枰┟芊饧?，不需要進一步內孔加工，可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，成本低廉，經(jīng)濟效益顯著。同時，彈簧、阻尼、方位角度等簡單結構的參數(shù)可以任意調整，來實現(xiàn)最優(yōu)的參數(shù)配置，使得被保護物品實現(xiàn)最優(yōu)保護，以滿足各種減震量級、減震場合的需要。5）黏滯阻尼器采用間隙阻尼，并且設置環(huán)形流道，使得鋼筒與活塞之間為一種不接觸式純阻尼減震、無摩擦，排除摩擦因素的影響造成減震裝置磨損產(chǎn)生的誤差及損壞，提高阻尼器的壽命。

圖12 上下顛簸的加速度變化實驗結果

圖13 剎車的加速度變化實驗結果

6 結論

1）設計了一款主動懸掛式柔性運載緩震裝置，采用空間三角形布置形式。相比于普通車輛減震器，可以抵抗來自各個角度的振動、沖擊，且使得減震效果大幅度增加，適用于減震要求高的場合，或是其他減震不便，減震成本高的場合，適用性極廣。

2）用Fluent軟件對阻尼內部流場進行分析，用Matlab軟件對阻尼和彈簧的響應進行分析，初步確定了質量為4 kg的模擬實驗平臺所需要進行實驗的阻尼系數(shù)和彈簧剛度等一系列參數(shù)，量化分析確定了主方向，并通過SolidWorks軟件對完整6桿機構主方向上進行振動模擬，最后用LabVIEW軟件對模擬平臺進行測試，并通過分析驗證設計的產(chǎn)品減震的可靠性。

3）該產(chǎn)品創(chuàng)新點在于采用懸掛吊裝的新穎布置方式，可在上表面置物，也可在下方載物（放入減震箱中），適用于多種場合，同時減震效果顯著，彈簧和阻尼吸能耗能結合減震，且有著多方位減震的柔性運載能力，同時黏滯阻尼器為純阻尼結構，無摩擦。平臺呈現(xiàn)為一種無源減震系統(tǒng)，依靠自然力驅動，可靠性高、結構簡單，可通過參數(shù)配比和需求方向實現(xiàn)最優(yōu)減震效果，且可以做成大平臺，應用場合廣泛。