大型液压挖掘机驾驶室舒适性分析与研究

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63CONSTRUCTION MACHINERY 2015.1专题研究
SPECIAL RESEARCH
大型液压挖掘机驾驶室舒适性分析与研究
刘永杰，解刚，刘文龙
（徐州徐工挖掘机械有限公司，江苏徐州 221004）
［摘要］通过对大型液压挖掘机驾驶室乘坐舒适性的评价和驾驶室振动特点研究，对影响驾驶室座椅和悬架的因素作简要分析及试验测试，为今后大型液压挖掘机驾驶室减震系统设计和优化提供指导。

［关键词］液压挖掘机；舒适性；加速度；静刚度
［中图分类号］TU621 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X （2015）01-0063-03
Analysis and research on cab comport of large hydraulic excavator
LIU Yong -jie ，XIE Gang ，LIU Wen -long
大型液压挖掘机复杂恶劣的作业环境和长时间、高负荷的作业强度常常引起驾驶室的强烈振动，这种振动严重影响操作者的舒适性和机器的稳定性、可靠性。

1 驾驶室舒适性评价
液压挖掘机舒适性评价是建立在分析人体所能承受的振动界限基础上的，指座椅及悬架等部件隔离、吸收、缓和、衰减作业过程中所产生的各种冲击和振动激励的能力，使传给驾驶员身体的振动强度处于人体可承受振动的界限之内，以及人体感受舒适的程度。

国际标准ISO 2631《人体暴露于全身振动的评价》对驾驶室振动舒适性评价认为，振动对人体的影响有4个重要的物理因素，即强度、频率、方向和承受时间。

人体内脏器官固有频率在2～10Hz 之间，不同振动对人的危害程度不同，其中频率4～8Hz 的垂直振动对人体的危害最大，而低于1Hz 或高于100Hz 的振动对人体基本无害。

基于这一研究，国际标准化组织应用1/3倍频程分析法，测试了人体承受该频域振动的能力，并制定了实用的评定方法。

在评价振动对人体影响的情况下，需要计算加权加速度或振级。

加速度是描述振动强度的基本量，在1/3倍频程分析的基础上，可按式（1）计算
1
20
2
21()w j j j a a Z ªº
«»¬¼¦
O
（1）
式中 a w ——加权加速度均方根值，m/s 2；
ωj ——第j 个1/3倍频带的加权系数；
a j —— 第j （j =1，2，3，……20）个1/3倍频
加速度均方根值，m/s 2。

加速度a w 与人体舒适度对照如表1所示。

表1 加速度a w 与人体舒适度对照表
振动总量a w /（m/s 2）
人体舒适度＜0.315感觉不到不舒适0.315～0.63有点不舒适0.5～1.0相当不舒适0.8～1.6不舒适1.25～2.5很不舒适＞2.0
极不舒适
振级计算可按式（2）计算
200.052110lg (10)j L
w j j L Z ªº u «»¬¼¦
O
G
1G N
2ʌ60
X O u u
22
4ʌ3600m W N X
22
340.3750ʌ1700107130N/mm
3600Z W u u u u u |
1200N/mm Z d W
W n |
（2）
式中 L w ——加权振级，dB ； ωj ——第j 个1/3倍频带的加权系数； L j —— 第j （j =1，2，3，……20）个1/3倍频带的振级，dB 。

DOI:10.14189/ki.cm1981.2015.01.001
［收稿日期］2014-08-15［通讯地址］刘永杰，江苏省徐州市经济开发区高新路39号徐州徐工挖掘机械有限公司技术中心大挖研究所Copyright ©博看网. All Rights Reserved.
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建筑机械 2015.1
专题研究
SPECIAL RESEARCH
2 驾驶室振动的特点
大型液压挖掘机的振源主要来自动力系统、液压系统和外部激励。

动力系统的振动主要是发动机的燃烧脉动，由不平衡旋转质量和往复零部件质量产生的惯性力和力矩；液压系统的振动主要是液压泵的压力脉冲；外部激励是指行走低频激励和作业过程中来自工作装置的冲击。

外部激励通过驾驶室减振器与座椅作用在操作者身上，动力系统和液压系统的高频激励通过发动机减振器传递到车架，再通过驾驶室悬架传递到驾驶室。

2.1 座椅
座椅具有良好的阻尼和刚度特性时，可以有效地隔离或衰减来自作业工况下的振动，提高操作者乘坐舒适性和操作稳定性。

在徐工集团某试验场，使用LDS 频谱分析仪和CA -YD -152A 三向加速度传感器对某大型液压挖掘机驾驶室振动进行测试，本次测试只对人体振动反应较为敏感的垂直方向进行分析。

分别在座椅上表面和座椅安装处2个位置安装2个三向加速度传感器，每次测量时间为1min ，每个测点分3次测量取数据的平均值，以评价该机器驾驶室座椅上表面和安装处车体振动频谱，并计算加权加速度和座椅的传递率。

测试位置如图1和图2
所示。

图1
座椅上表面
图2 座椅安装处
在发动机从怠速到最大工作转速下的加速度和位移测量数据见表2。

通过对座椅激励特性进行分析，振动较大的情况时垂向和横向激励的频率成分主要在低频带。

空载工况时，转台机架的振动很小，主要是发动机引起的振动；挖掘卸载工况时，在1～80Hz 范围内都存在不同程度的振动，尤其严重的是集中在小于20Hz 的低频带振动；行走工况时，低频成分丰富，同样的在1～80Hz 范围内都存在不同程度的振动，主要集中在以15Hz 为中心频率的低频带；回转工况时，低频成分较行走工况少且幅值小，主要集中在10～30Hz 范围之间。

垂向振动为主振型的固有频率达118Hz ，以座椅垂向振动为主振型的固有频率达到2.8Hz 。

根据表2测量数据和式（1）计算，垂直轴向加权加速度均方根值a w =0.79m/s 2，根据表1可知人的感觉在“相当不舒服”范围内。

根据式（2）计算，驾驶室座椅和地板处的垂向计权振级理论值比实际测量的值小10dB ，但都在推荐限值内。

表2 加速度和位移测量数据
发动机转速 /（r/min ）
加速度/（m/s 2）位移/mm 7500.9/1.0/1.00.01/0.01/0.01900 1.1/1.1/1.10.01/0.01/0.011100 1.2/1.1/1.10.01/0.01/0.011300 1.2/1.1/1.10.01/0.01/0.011500 1.4/1.2/1.20.013/0.012/0.0121800
1.6/1.2/1.2
0.013/0.013/0.013
2.2 悬架
该大型液压挖掘机驾驶室通过6个硅油减振器与转台连接减振，驾驶室总成重量约750kg ，该悬架系统的阻尼和刚度特性可根据车辆的工作状态进行自适应调节，具有良好的吸振性能。

静刚度W 是评价硅油减振器刚度特性的重要参数指标，按式（3）计算
22
1
W m O G
X
O u u
22
4ʌ3600
m W N X
（3）
式中 W ——静刚度，N/mm ；
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CONSTRUCTION MACHINERY 2015.1
m ——悬置物质量； δ——频率比，≥1.41；
λ——激振圆频率，
rad/s 。

G
G X O u u 224ʌ3600
m W N X 22340.3750ʌ1700
107130N/mm 3600Z W u u u u u |
1200N/mm
Z d W
W n |
（4）式中 κ——隔振系数，取0.3。

G G N 2ʌ60
X O u u （5）式中 υ——发动机转速度，r/min 。

将式（4）、（5）代入式（3）中，可以得到静刚度W 的推导公式
G
1
G N
2ʌ60O u u
22
4ʌ3600m W N X
（6）在测试该大型液压挖掘机的硅油减振器静刚度特性曲线时，只对发动机在工作转速1700r/min 时的挖掘、回转、卸载复合动作进行分析。

选取驾驶室左前和右后对角线减振器测试，加速度有效值
隔振率如图3所示。

1000-10
-5
510150110012001300140015001600发动机转速/（r/min）
a 右前减震器
b 右后减震器
加速度有效值隔振率/d B
17001800 方向方向方向
1900
1000-10
-5
51015
0110012001300140015001600发动机转速/（r/min）
加速度有效值隔振率/d B
170018001900
X Y Z 方向
方向方向
X Y Z 图3 驾驶室的减振器的加速度有效隔振率硅油减振器总静刚度W 理论值G
1
G N
2ʌ60O u u 224ʌ3600m W N X 22340.3750ʌ1700107130N/mm 3600Z W u u u u u | 单个静刚度G
1
G N
2ʌ60O u u
22
4ʌ3600m W N X
22
340.3750ʌ1700107130N/mm
3600Z W u u u u u |
1200N/mm Z d W W n |
由于大型液压挖掘机工作质量较大，对驾驶
室惯量冲击较大，而且驾驶室左右间距对减振器
径向要求高，所以设计选用该硅油减振器时，在
静刚度理论计算值的基础上乘以1.25安全系数，取
W d =1500N/mm 。

从测试结果来看，怠速到高速时振动加速度
和振幅变化相对平稳，没有跳跃式振动感，说明振
幅比较平稳，在各转速下频波也比较稳定。

动臂在做上下冲击及惯量冲击时，驾驶室底板与转台机架间隙没有明显的上下浮动，跳动感很柔和，驾驶室顶部对角处没有明显晃动，驾驶室内部也没有明显的振动感，操作者对乘坐舒适性评价较好。

3 总结
综上所述，在驾驶室减振设计过程中，基于被动隔振理论，改进座椅和悬架结构的减振性能是提高乘坐舒适性的有效途径。

在保证驾驶室悬置支承作用的前提下，尽量选用阻尼和刚度特性好的减振器，使驾驶室的主要振动激励处于驾驶室悬置的减振区域，减小驾驶室的振动响应，满足驾驶室振动对操作者感受舒适的程度。