平架濕地型履帶推土機(jī)行走系統(tǒng)轉(zhuǎn)向性能仿真研究

張耀娟,董 曠,趙立眾,劉維維

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,吉林 吉林 132021)

履帶推土機(jī)的行走系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),反映其機(jī)動(dòng)性的一個(gè)重要方面是其轉(zhuǎn)向性能的優(yōu)劣。目前在履帶車輛轉(zhuǎn)向性能分析過(guò)程中[1],采用簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算的方法是通過(guò)簡(jiǎn)化建立線性模型,卻沒(méi)有考慮地面作用力對(duì)履帶部分的影響。J.Y.Wong等[2-3]根據(jù)車輛與地面的滑動(dòng)摩擦理論,對(duì)履帶車輛在硬地上的穩(wěn)定轉(zhuǎn)向原理進(jìn)行了深入的研究。履帶車輛的研究在國(guó)內(nèi)也得到了很大的發(fā)展,文獻(xiàn)[4-6]對(duì)履帶車輛液壓差速轉(zhuǎn)向時(shí)不同工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了仿真研究。文獻(xiàn)[7-8]在履帶車輛簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上建立了考慮滑轉(zhuǎn)、滑移條件的運(yùn)動(dòng)模型,并分別對(duì)履帶車輛在高速工況下的穩(wěn)定轉(zhuǎn)向過(guò)程做了分析。

對(duì)于履帶車輛通過(guò)性有著決定性影響的行走系統(tǒng)研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn),而對(duì)平架濕地型履帶推土機(jī)行走系統(tǒng)轉(zhuǎn)向性能的研究并不多見(jiàn)。通過(guò)對(duì)平架濕地型履帶推土機(jī)轉(zhuǎn)向性能研究,分析履帶行走系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)向工況和濕度路面對(duì)轉(zhuǎn)向性能的影響,有利于更好地預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)其轉(zhuǎn)向性能,為改進(jìn)其轉(zhuǎn)向性能提供重要的技術(shù)方法,夯實(shí)理論基礎(chǔ)。

1 履帶推土機(jī)行走系統(tǒng)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)理論分析

如圖1所示,是履帶推土機(jī)繞轉(zhuǎn)向軸在水平路面平穩(wěn)轉(zhuǎn)向的簡(jiǎn)圖。轉(zhuǎn)向軸至履帶推土機(jī)縱向?qū)ΨQ平面的距離R,稱為履帶推土機(jī)的轉(zhuǎn)向半徑。

B為履帶軌道間距;為快速側(cè)履帶的速度;為慢速側(cè)履帶的速度;υ′為轉(zhuǎn)向時(shí)的平均速度;ωY為轉(zhuǎn)向角速度;R為轉(zhuǎn)向半徑;OT為履帶推土機(jī)軸線在縱向?qū)ΨQ平面上的投影。

履帶推土機(jī)軸線在車輛縱向?qū)ΨQ平面上的投影用OT表示,用υ′代表其轉(zhuǎn)向時(shí)的平均速度[9]。則轉(zhuǎn)向角速度ωY為

(1)

(2)

式中,B為履帶推土機(jī)的履帶軌道間距。

(3)

由公式(3)可知,履帶推土機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)的角速度ωY為

(4)

2 履帶推土機(jī)整車模型建立

2.1 履帶推土機(jī)模型建立及約束施加

仿真模型是根據(jù)某型履帶推土機(jī)的相關(guān)參數(shù),通過(guò)PRO/E建立三維模型,然后對(duì)所建立的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化后的車體模型如圖2所示,履帶推土機(jī)基本參數(shù),見(jiàn)表1。

表1 履帶推土機(jī)基本參數(shù)

圖2 平架濕地型履帶推土機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型

將簡(jiǎn)化后的模型以IGES格式導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件RecurDyn中[10],由驅(qū)動(dòng)輪、支重輪、引導(dǎo)輪、托鏈輪和履帶組成的行走系統(tǒng)模型如圖3所示。在RecurDyn軟件中為導(dǎo)入的模型施加相關(guān)約束,見(jiàn)表2。

表2 各部件約束形式

圖3 平架濕地型履帶推土機(jī)行走系統(tǒng)模型

履帶推土機(jī)行走系統(tǒng)的仿真需要在滿載和空載兩種工況下進(jìn)行。履帶推土機(jī)滿載轉(zhuǎn)向工況為惡劣工況,即鏟刀鏟土進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向,為了更好地評(píng)價(jià)其轉(zhuǎn)向性能,增加轉(zhuǎn)向阻力到滿載工況進(jìn)行仿真。將滿載時(shí)鏟刀所承受的力分解為X軸和Y軸方向的力,設(shè)置函數(shù)EX1=30 000,EX2=-839,將此函數(shù)分別設(shè)置到鏟刀上,為鏟刀滿載時(shí)X軸和Y軸上的力;在空載時(shí)鏟刀內(nèi)無(wú)土,履帶行走系統(tǒng)所受的力只有鏟刀和車身的重力,于是設(shè)置EX3=0,EX4=0,分別施加在鏟刀上,為空載時(shí)鏟刀所受到的X軸上的力和Y軸上的力。

2.2 基于貝克理論建立路面模型

該履帶推土機(jī)主要工作于濕地土壤,根據(jù)GB/T 24708—2009對(duì)我國(guó)濕地的分類,主要分為含水量為25%的農(nóng)田,40%的灘涂,55%的沼澤路,在以上三種濕地路面進(jìn)行空載和滿載工況仿真。由于濕地型履帶推土機(jī)主要在含水量較大的黏土環(huán)境中工作,故在RecurDyn中建立黏土路面,路面的建立如圖4所示。履帶車輛對(duì)地面的正壓力是基于美國(guó)學(xué)者M(jìn).G.Bekker.提出的壓力-沉陷關(guān)系[11],根據(jù)M.G.Bekker.的半經(jīng)驗(yàn)法并查找相關(guān)文獻(xiàn)資料計(jì)算出了含水量分別是25%、40%、55%的土壤參數(shù),土壤參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖4 路面模型

圖5 含水量25%、40%、55%的土壤參數(shù)設(shè)置

2.3 施加驅(qū)動(dòng)

由于履帶推土機(jī)在轉(zhuǎn)向時(shí)兩側(cè)履帶分別受到牽引力和制動(dòng)力,履帶推土機(jī)轉(zhuǎn)向的仿真過(guò)程中,0～3 s時(shí),推土機(jī)受到重力的作用下降到所設(shè)置的路面,再向前加速到履帶推土機(jī)的一檔速度后左側(cè)履帶繼續(xù)以一檔的速度行駛,右側(cè)履帶制動(dòng),實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向[12]。仿真總時(shí)間21.75 s,左右兩側(cè)履帶的驅(qū)動(dòng)函數(shù)分別為[13]

左側(cè):IF(time-21.75:IF(time-11:IF(time-3:0,-32,1.25×time-35.75),

-22,-22),-32,-32);

右側(cè):IF(time-21.75:IF(time-11:IF(time-3:0,-32,1.25×time-35.75),

0,0),-32,-32)。

3 履帶推土機(jī)轉(zhuǎn)向仿真及結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)向角速度

在三種不同含水量路面以及空載和滿載的工況下仿真,得到履帶推土機(jī)在轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向角速度仿真結(jié)果如圖6、圖7、表3所示。

表3 六種仿真的轉(zhuǎn)向角速度

t/s

t/s

由圖6、圖7及表3中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),履帶推土機(jī)在含水量為25%、40%及55%的路面上轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向角速度的波動(dòng)隨著路面濕度的增大而增大,可知該履帶推土機(jī)在含水量不同的路面上轉(zhuǎn)向時(shí),增加土壤濕度會(huì)使轉(zhuǎn)向角速度波動(dòng)變大。在路面濕度相同的情況下,不同工況對(duì)轉(zhuǎn)向角速度的波動(dòng)影響不明顯。從以上曲線和數(shù)據(jù)分析可知,路面濕度相同時(shí),載荷增加對(duì)轉(zhuǎn)向角速度的波動(dòng)影響不大,相同轉(zhuǎn)向工況增大路面濕度會(huì)使轉(zhuǎn)向角速度波動(dòng)明顯增大。

3.2 轉(zhuǎn)向半徑

在含水量為25%、40%、55%的路面以及空載和滿載工況下,根據(jù)仿真結(jié)果可以得到履帶推土機(jī)在轉(zhuǎn)向時(shí)質(zhì)點(diǎn)的軌跡坐標(biāo),使用Python對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得出該濕地型履帶推土機(jī)在0～11 s直線行駛和在11～21.75 s的轉(zhuǎn)向軌跡如圖8、圖9所示。

橫向位移/mm

橫向位移/mm

履帶推土機(jī)從轉(zhuǎn)向開(kāi)始到轉(zhuǎn)向結(jié)束生成的圓弧狀質(zhì)點(diǎn)軌跡繪制的半徑為轉(zhuǎn)向半徑。由圖8、圖9的轉(zhuǎn)向仿真軌跡可知,相同工況轉(zhuǎn)向半徑隨著路面含水量的增大呈增大趨勢(shì),在含水量相同工況不同的路面轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向半徑會(huì)隨著載荷的增大呈增大趨勢(shì)。

從轉(zhuǎn)向軌跡曲線和數(shù)據(jù)分析可知,當(dāng)履帶推土機(jī)在含水量為55%的路面滿載工況轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向半徑最大,故路面含水量的增大和載荷的增大都會(huì)使轉(zhuǎn)向半徑增大。

4 結(jié) 論

平架濕地型履帶推土機(jī)行走系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角速度、轉(zhuǎn)向半徑兩個(gè)參數(shù)都會(huì)受到路面濕度、轉(zhuǎn)向工況的影響:

(1)履帶推土機(jī)在含水量不同的路面轉(zhuǎn)向時(shí),工況相同路面含水量增大會(huì)使轉(zhuǎn)向角速度的波動(dòng)增大;路面含水量相同時(shí),載荷增大對(duì)轉(zhuǎn)向角速度的波動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。故轉(zhuǎn)向過(guò)程中履帶推土機(jī)受路面濕度影響較大,路面濕度太大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性差,易發(fā)生側(cè)翻、履帶脫輪等現(xiàn)象。

(2)履帶推土機(jī)在含水量不同的路面轉(zhuǎn)向時(shí),由于轉(zhuǎn)向過(guò)程中履帶與路面之間滑移與滑轉(zhuǎn)的存在,在相同工況下,轉(zhuǎn)向半徑隨著路面含水量的增大而增大;在路面含水量相同時(shí),轉(zhuǎn)向半徑同樣會(huì)隨著載荷的增大而有所增大,導(dǎo)致車輛轉(zhuǎn)向困難。

綜上所述,由轉(zhuǎn)向速度、轉(zhuǎn)向角速度與轉(zhuǎn)向半徑的計(jì)算公式可知,路面濕度的增大和載荷的增加都會(huì)使兩側(cè)履帶轉(zhuǎn)向角速度波動(dòng)變大,受地面作用影響易發(fā)生滑移和滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。故該濕地型履帶推土機(jī)要更好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向工況,避免轉(zhuǎn)向時(shí)發(fā)生滑轉(zhuǎn)和滑移,要在濕度和載荷較小的工況下進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向,該仿真結(jié)果可以作為濕地型履帶推土機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的參考依據(jù)。