大型矿用履带式挖掘机接地压力动力学研究

赵克利,胡英华,高素荷,张天一

(1.吉林大学 机械科学与工程学院,吉林 长春 130025;2.太原重工股份有限公司,山西 太原 030024)

履带式施工机械接地压力的分布,直接影响着其牵引性能、转向性能、通过性能和发动机的燃油经济性,是履带式机械设计的关键技术之一.目前研究履带式机械地面力学的方法较多,许多学者在该领域从多角度、多方面对履带式行走机构进行结构完善及性能研究.但由于工程作业车辆的作业目的多样性及其行走结构又各具特殊性的特点,特别是对大型履带式机械,利用人工的方法对物理样机的动态性能进行分析比较困难,可借鉴的资料相对较少.而利用虚拟样机技术,既可降低开发成本,又可缩短研发周期,且易于实现,对车辆动态性能研究有一定借鉴意义.

本文结合大型矿用履带式挖掘机的行走机构,利用ADAMS软件对其支重轮在2种典型作业工况下的动态特性进行动力学分析与研究,以探求接地压力及其分布的动态特性.

1 行走机构动力学仿真模型的建立

大型矿用履带式挖掘机的行走装置主要由底架、履带架、履带、支重轮、托链轮(或托带板)、导向轮、驱动轮及行走传动机构等部件组成.利用三维建模软件UG对行走装置主要部件进行三维建模,并按照各部件间的相对位置关系将各零部件进行装配.装配好的模型,通过UG与ADAMS的接口导入ADAMS/View中[1].根据模型的实际运动情况,在各部件之间创建约束副,建立起各构件间的运动关系[2].其动态仿真模型如图1所示.利用动态仿真试验,研究影响接地压力分布的变化规律.

图1 大型履带挖掘机行走机构仿真模型Fig.1 Simulating model of walking device of heavy crawler excavator

对于履带式机械而言,不同的土壤条件会影响车辆与地面的相互作用,进而影响接地压力的分布,所以,在虚拟样机中,地面模型的参数不可忽略.本文研究的某大型履带式矿用挖掘机行驶的路面多为矿石,其重度为20～33 kN·m-3[3],该处选用20 kN·m-3.

2 仿真工况

挖掘机整机重力通过支重轮传给与地面接触的履带,再由履带传给地面.由于行走时地面特征及土壤特性的不同,以及作业工况的不同,都会使支重轮所受载荷出现差异.本文结合2种典型的作业工况,适时地分析2种工况下行驶方向右侧的9个支重轮所受垂直载荷的情况.

该履带行走装置采用双侧电机单独驱动的模式,两侧履带均由42块履带板组成,如图2所示.

工况1:匀速直线爬坡行驶.此工况模拟行走机构在水平路面以行走电机额定转矩驱动行驶一段时间后,再以最大驱动转矩匀速爬上最大爬坡角度15%,如图3所示.

主动驱动由ADAMS/View中的阶跃函数STEP(TIME,t1,x1,t2,x2)[4]来实现,输入最大转矩时的驱动轮的角速度,即STEP(TIME,0,0,3,-17.2245 d)+STEP(TIME,14,0,16,0.0434 d)(其中 d为角速度,(°)·s-1).

图2 双履带行走机构模型Fig.2 Model of double crawler walking device

图3 匀速爬坡模型Fig.3 Model of constant climbing

工况2:原地匀速转向.两侧行走电机以最大驱动转矩反向单独驱动,匀速转向,最大转矩为12000 N·m.原地匀速转向时,输入左侧履带驱动轮的最大转矩时的转速,即STEP(TIME,0,0,3,17.1811 d),输入右侧履带驱动轮的最大转矩时的转速,即STEP(TIME,0,0,3,-17.1811 d).

3 仿真结果与分析

3.1 匀速直线爬坡行驶(工况1)

经仿真得到各支重轮所受垂直载荷曲线,图4～6为典型受力支重轮与履带板间接触力随时间(100 s)的变化曲线.

图4 工况1后支重轮动态接触力分布曲线(100 s)Fig.4 Contact force distribution curve of the rear-end track roller in status 1(100 s)

图5 工况1支重轮1动态接触力分布曲线(100 s)Fig.5 Contact force distribution curve of the No.1 track roller in status 1(100 s)

从图4～5可以看出,所列支重轮的垂直地面方向的接触力曲线在3～15 s(水平直线行驶段)和50～100 s(坡道平稳运行段)两时段内呈现周期波动,而在15～50 s(开始爬坡至坡道上平稳运行前的一段)内,后支重轮所受接触力最大,其极值为5640.0 kN,均值为4382.9 kN,而支重轮1所受接触力的极值为后支重轮的39.45%,均值为其17.04%.对于支重轮2～7(曲线未列出),在15～50 s部分时段内出现接触力为0的情况,原因在于:车辆开始爬坡时,部分履带板处于悬空状态,整车荷载大部分由后支重轮承担,50 s后处于悬空状态的履带板已全部接地,此时各支重轮受力较平稳(与支重轮1受力曲线50 s后的曲线形状相似).0～3 s为整机启动阶段.

由图4和图5中50 s后的曲线可以看出,后支重轮接触力幅度变化较其他支重轮小,其幅值相对变化率为0.519,支重轮1为1.45.这表明:后支重轮在承受持续重载时所受接触力值变化相对平稳,而支重轮1及其他支重轮受动载因素影响较大.图6为仿真全过程9个支重轮接触力动态受力总和分布曲线.曲线表明,总体接触力合力变化相对平稳,接触力变化率为0.173,小于各支重轮接触力的变化率,可见,整体动载因素并不能代表各支重轮的动态影响特性.各支重轮在坡道上平稳行驶时所受接触力相对变化率见表1.

表1 工况1各支重轮接触力相对变化率Tab.1 Amplitude relative changing rate of the contact force of the track rollers in status 1

各支重轮在直线段和爬坡段(履带全地面接触段)行驶时所受垂直接触地面方向的力的均值与极值见图7.

由图7可知,后支重轮承受的支承载荷在行走机构连续作业的全过程中为最大(直线行驶时其极值约为其他支重轮载荷的1.58～2.26倍,匀速爬坡行驶时约为1.49～5.32倍).直线行驶时的支重轮7及爬坡行驶时的支重轮6在2种作业工况的全作业过程中所受垂直载荷最小,其均值分别为421.59kN和275.73kN.由于履带式行走机构多体动态系统的特点,直线行驶时总体呈现出极值出现在位于端部两侧的支重轮处;匀速爬坡时位于后端部的几个支重轮承受载荷较大.

3.2 原地匀速转向(工况2)

图8～10为特征支重轮与履带板接触所产生的垂直方向接触力随时间(30s)的变化曲线(因仿真过程各相关量方向的设定,所以曲线显示值为负,图中接触力取其绝对值,即随纵坐标向下接触力呈递增趋势).

图7 直线段和爬坡段行驶时所受垂直载荷分布曲线Fig.7 Vertical load distribution curve of line segment and climbing segment

图8 工况2后支重轮动态接触力分布曲线(30s)Fig.8 Contact forcedistribution curve of the rear-end track roller in status 2(30s)

由图8和图10可以看出,经0～3s启动后,工况2的各支重轮及其合力接触力呈周期性平稳动态波动分布.支重轮1～8的受力分布曲线的波谷值呈现零值现象,说明该瞬间只有此支重轮下面的各节履带板传递对土壤的垂直负荷,而此支重轮重心处传递较少或不传递垂直负荷,这一结果正与前苏联学者李沃夫等人的实验研究结果相吻合.工况2下各支重轮的接触力幅值相对变化率见表2.

图9 工况2支重轮1动态接触力分布曲线(30s)Fig.9 Contact force distribution curve of the No.1 track roller in status 2(30s)

图10 工况2单侧履带9个支重轮所受动态接触力合力(30s)Fig.10 Contact force composition curve of all track rollers in status 2(30s)

表2 工况2各支重轮接触力相对变化率Tab.2 Amplitude relative changing rate of the contact force of the track rollers in status 2

工况2为原地逆时针匀速转向,图11绘出了左右两侧支重轮在30s动态转向过程中所受垂直方向的接触力极值及均值的分布情况.左右两侧对称位置处的支重轮命名相同.

由图11可知,转向时左右两侧对称位置处的支重轮的受力并不相同,原因在于转向时履带发生扭转,接地部分履带的侧面作用有横向反力,致使整车重心位置在横向产生一定的移动.对于右侧履带(外端)支重轮受力总体呈现出极值出现在位于端部的2个支重轮上,即后支重轮及支重轮8,其值分别为2933.5kN和1745.7kN,而支重轮1～7受力大小相近,在840～1230kN之间;左侧履带(内端)支重轮中后支重轮和支重轮1受力极值较大,分别为2364.9 kN和1354.7kN,其余支重轮的受力在905～1206 kN之间.

图11 原地逆时针转向所受接触力分布曲线Fig.11 Contact force distribution curve for status 2

4 结论

大型机械设备的结构性能和使用性能的完善,是机械行业亟待解决的问题,本文就大型履带式矿用挖掘机的行走机构建立了其动力学仿真模型,通过有效而可行的动态仿真分析,获取了各支重轮在典型工况下的动态接触力特性及其合力的动态性能,所得仿真试验结果可为进一步系统地分析其行走机构的接地压力动力学特性提供有效的理论指导,达到了大型机械设备省时、经济、有效的载荷谱获取的实现.由于研究履带式行走机构时对路面及土壤条件依赖性较强,所以有必要针对其他典型路况及土壤条件下的仿真结果进行进一步的对比研究[5].

[1]郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2002.ZHENG Jianrong.Basic and advance of ADAMS[M].Beijing:China Machine Press,2002.

[2]隋文涛.大型矿用挖掘机履带行走装置动力学仿真研究[D].长春:吉林大学,2007.SUI Wentao.Research on dynamics simulation of crawler travelling gear of large mining excavator[D].Changchun:Jilin University,2007.

[3]阎书文.机械式挖掘机设计[M].北京:机械工业出版社,1982.YAN Shuwen.Design of mechanical excavator[M].Beijing:China Mechine Press,1982.

[4]范建成,熊光明,周明飞.MSC.ADAMS应用与提高[M].北京:机械工业出版社,2006.FAN Jiancheng,XIONG Guangming,ZHOU Mingfei.Application and advance of ADAM S[M].Beijing:China Machine Press,2006.

[5]宿月文,朱爱斌,陈渭,等.履带机械地面力学建模及牵引力性能仿真与试验[J].西安交通大学学报,2009,43(9):42-45.SU Yuewen,ZHU Aibin,CHEN Wei,et al.Detailed model and traction performance test on interaction between track link and ground[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2009,43(9):42-45.