工程机械座椅系统多维非线性隔振技术研究

Multidimensional and low-frequency vibration generated by working engineering machinery can cause the drivers’ back pain, stomach discomfort and other occupational disease. Seat system can effectively isolate the vibration transmitted to the body, thereby reducing the occupational disease caused by vibration, protecting the physical and mental health of the driver, reducing social medical costs and improving work efficiency. However, current engineering machinery seat system has inadequate capacity to isolate the low-frequency and multidimensional vibration. To solve the above problems, this project intends to carry out the research on the multidimensional nonlinear vibration isolation technologies for engineering machinery seat system. Two scientific problems are focused on to be resolved: Firstly, the effects of the seat suspension configuration on nonlinear force – displacement characteristic and effects of the nonlinear force – displacement characteristic on the multidimensional and low-frequency vibration isolation performance will be studied. And then the seat nonlinear suspension with high utilization space will be innovative designed. Secondly, the multidimensional dynamic characteristics of the multidimensional nonlinear vibration isolation seat – human system, the matching law among the multidimensional dynamic characteristic of seat nonlinear suspension, the nonlinear stiffness and damping characteristics of cushion and backrest, and the human body dynamic characteristic will be studied. Through this project, the new vibration isolation technology of engineering machinery seat system is expected to be obtained, to solve the seat system’s problems of engineering machinery in current. Therefore, the project has important scientific significance and application value.

工程机械工作时产生的多维、低频振动会导致驾驶员腰疼、胃部不适等职业病。座椅系统可有效隔离振动向人体的传递，进而减少由振动引起的职业病，保障驾驶员身心健康，降低社会医疗成本，提高工作效率。但是目前工程机械的座椅系统隔离低频振动和多维振动的能力均不足。为了解决上述问题，本项目拟开展工程机械座椅系统多维非线性隔振技术的研究。重点解决两个科学问题：一是座椅悬架的构型对其非线性力-位移特性的影响规律，座椅悬架的非线性力-位移特性对其多维、低频隔振性能的影响规律，创新设计具有高的空间利用率的座椅非线性悬架；二是多维非线性隔振座椅-人系统的多维动态特性，及座椅非线性悬架的多维动态特性、坐垫和靠背的非线性刚度阻尼特性、人体动力学特性三者之间的匹配规律问题。通过本项目的研究，可望得到具有多维、低频隔振能力的工程机械座椅系统隔振新技术，解决目前的工程机械座椅系统存在的问题。因此，具有重要的科学意义和应用价值。

工程机械工作于矿山、工地等恶劣环境，导致整机呈现多维、低频振动，这种振动传至驾驶室，再通过座椅系统传递至驾驶员。驾驶员长期处于这种全身振动的环境中，将导致腰疼、背疼、胃部不适等。因此，工程机械的振动控制问题一直是工程机械领域的研究热点。座椅系统由于与人体大面积接触且改变其参数对整机性能影响甚微，因而成为了改进整机振动舒适性的关键研究对象。而工程机械的座椅悬架低频隔振能力不足，且较少的研究从悬架座椅-人系统的角度进行研究。因此本项目提出了工程机械座椅系统多维非线性隔振技术研究的课题。基于滚动隔振原理设计了座椅水平隔振悬架新构型，并分析了水平悬架-人体系统的固有频率特性；基于拉格朗日方程建立了前后方向座椅-人系统的动力学模型，并研究了悬架关键设计参数对该系统水平隔振特性的影响规律；针对应用较多的拉簧式的线性座椅悬架，引入凸凹圆弧结构将其线性特性改进为非线性，既使其具有高静态-低动态刚度特性，从而提高其低频隔振性能和承载能力；设计了一种集身高、体重参数变化调整功能于一体的座椅非线性悬架，从而降低当前座椅悬架的复杂程度，减少零件的数量，降低成本；设计了一种盘式非线性低频隔振器的新构型，并研究了该非线性隔振器的静态特性和动态特性；设计、制造和装配了三个物理样机，并进行了特性试验。本项目的研究表明，基于非线性隔振原理设计的座椅非线性悬架较市场上悬架具有更好的低频隔振特性，中国目前工程机械保有量超过七百万辆，因此本项目研究的座椅非线性悬架具有广阔的应用前景。该类型悬架如果能够得到推广，将有助于提高工程机械的振动舒适性，降低驾驶员职业病症状的发生率，因此具有重要的科学与实际意义。