履帶式濕地系列推土機(jī)行走機(jī)構(gòu)的仿真

成 凱，徐曉龍，韓毓文，張耀娟，鄭 森

（1.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025；2.河北鋼鐵集團(tuán)宣工公司，河北 宣化 075100）

履帶推土機(jī)作為鏟土運(yùn)輸機(jī)械，在建筑、筑路、采礦、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)及國(guó)防建設(shè)等土石方工程中被廣泛應(yīng)用.近年來，隨著沿海地區(qū)的陸續(xù)開發(fā)，特別是渤海灣經(jīng)濟(jì)區(qū)開發(fā)力度的加快，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)低比壓推土機(jī)的需求穩(wěn)步上升.國(guó)外常依據(jù)推土機(jī)所適應(yīng)的作業(yè)條件稱為濕地推土機(jī)，并根據(jù)作業(yè)地面的松軟程度分為濕地、超濕地、超超濕地推土機(jī)以及泥上機(jī)械等.

在沼澤地和湖區(qū)水網(wǎng)地區(qū)，土壤的含水量較高甚至達(dá)到飽和狀態(tài)，輪式推土機(jī)不能作業(yè)，或者在作業(yè)的時(shí)候形成較深的輪轍，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞嚴(yán)重.履帶式推土機(jī)對(duì)土壤的單位面積壓力小，對(duì)土壤的附著性能好，在含水量高或者松軟如沼澤地、低洼地、河岸海灘、水田等惡劣的地面條件下仍能正常作業(yè)，由于履帶車輛自身以及使用環(huán)境的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的研究模式導(dǎo)致研制費(fèi)用高，研究周期長(zhǎng).地面力學(xué)以及多體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展和完善為履帶車輛的建模仿真提供了理論與技術(shù)支持.本文采用著名的多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件RecurDyn對(duì)某履帶式濕地推土機(jī)行走系統(tǒng)進(jìn)行分析.RecurDyn是基于遞歸算法的多體系統(tǒng)仿真軟件，采用相對(duì)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程理論［1］，求解速度快.RecurDyn中附有的履帶車輛子系統(tǒng)Track（LM），可以實(shí)現(xiàn)履帶系統(tǒng)的三維建模，分析不同類型的履帶系統(tǒng)以及與土壤的相互作用，是進(jìn)行履帶車輛復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析的有力工具.

本文在RecurDyn中對(duì)履帶式濕地推土機(jī)行走系統(tǒng)在沼澤地路面下的推土作業(yè)循環(huán)工況進(jìn)行仿真分析，結(jié)合某企業(yè)的項(xiàng)目改變了行走機(jī)構(gòu)的參數(shù)，進(jìn)一步開發(fā)更小接地比壓的濕地系列推土機(jī)，對(duì)兩種接地比壓的濕地系列推土機(jī)的行走系統(tǒng)的受力進(jìn)行了詳細(xì)的研究，為履帶式濕地推土機(jī)行走系統(tǒng)性能的改進(jìn)提供參考.

RecurDyn軟件提供的低速履帶系統(tǒng)工具包Track／LM包括各種履帶系統(tǒng)組件，如驅(qū)動(dòng)輪、引導(dǎo)輪、負(fù)重輪和履帶等.其中履帶板的形狀是可以根據(jù)用戶自己的需要進(jìn)行修改的，使用這些組件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行走部分的精確建模.濕地推土機(jī)的履帶板的斷面有三角形和圓弧形等.優(yōu)點(diǎn)是可以減少履帶黏泥，避免地表泥土攪拌，使地面免于損壞.三角形履帶板還有排水和壓實(shí)作用，能提高土壤的承載能力.同時(shí)RecurDyn軟件提供了Ground模塊，用于建立各種標(biāo)準(zhǔn)地面，也可以自定義符合實(shí)際路況的路面.

1 履帶式濕地推土機(jī)模型的建立

履帶式推土整車模型分為四個(gè)部分：車體模型、平衡梁、行走系統(tǒng)模型和推土工作裝置模型.本文中，車體模型、平衡梁及推土工作裝置模型是預(yù)先應(yīng)用PROE軟件進(jìn)行建模，另存為IGES格式，然后再由RecurDyn軟件導(dǎo)入IGES格式的車體模型和推土工作裝置模型.對(duì)于車體模型，本文在RecurDyn中手動(dòng)添加車體的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量屬性.對(duì)于推土工作裝置模型，按實(shí)際情況添加正確的約束關(guān)系，仿真過程中不考慮工作裝置的動(dòng)作的影響，故對(duì)油缸行程驅(qū)動(dòng)設(shè)置為零.行走系統(tǒng)模型應(yīng)用RecurDyn履帶車輛子系統(tǒng)Track（LM），建立履帶系統(tǒng)模型，創(chuàng)建的某履帶推土機(jī)三維動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示.

在RecurDyn中建立的履帶行走系統(tǒng)模型含有左右2條履帶子系統(tǒng).每條履帶系統(tǒng)由1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、1個(gè)引導(dǎo)輪、7個(gè)負(fù)重輪、2個(gè)托鏈輪和41塊履帶板組成.履帶推土機(jī)行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪后置；履帶系統(tǒng)中的負(fù)重輪、驅(qū)動(dòng)輪和托鏈輪通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接于車體的固定位置；引導(dǎo)輪以移動(dòng)副連接于車體，并在其輪心和車體之間安裝彈簧，平橫梁和推土機(jī)車體之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，平衡梁和行走架之間安裝彈簧.兩種接地比壓的履帶式濕地推土機(jī)的履帶軌矩不同，履帶板的長(zhǎng)度也不同.其中接地比壓為0.032MPa的推土機(jī)的履帶中心距B＝2.110m，履帶板寬度b＝0.930 m，接地比壓為0.028MPa的推土機(jī)的履帶中心距B＝2.230m，履帶板的寬度為b＝1.070m，建立的履帶行走系統(tǒng)三維模型如圖2所示.

圖1 某履帶式濕地推土機(jī)三維動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 Caterpillar wetland bulldozers threedimensional dynamic model

圖2 履帶式濕地推土機(jī)行走系統(tǒng)三維模型Fig.2 Crawler system for three dimensional model

2 地面－車輛力學(xué)關(guān)系以及路面模型的建立

RecurDyn中路面由矩形單元構(gòu)成，每塊單元可以記住最大沉陷量、最大壓力、剪應(yīng)變和剪應(yīng)力，以計(jì)算正壓力或水平摩擦力.對(duì)于不同類型的地面，車輛的履帶與地面之間力的計(jì)算有所不同.軟性地面模型認(rèn)為土壤具有記憶功能，即考慮加載歷史.每一履帶板與地面之間都有一個(gè)廣義力，并由一用戶子程序完成該廣義力的計(jì)算.履帶車輛對(duì)地面的正壓力是文獻(xiàn)［2］提出的壓力-沉陷關(guān)系式，即

式中：p為接地壓力，kPa；kφ為內(nèi)摩擦的土壤變形模量，kN·m1.3；kc為內(nèi)聚的土壤變形模量，kN·m0.3；b為履帶板的寬度，m；Z為變形深度，m；n為變形指數(shù).

式（1）適用于持續(xù)加載過程.對(duì)于卸載過程，計(jì)算公式為

式中：k0，Au為土壤的特征參數(shù).

履帶與地面水平力的計(jì)算也是基于文獻(xiàn)［2］，履帶在接觸的地面上產(chǎn)生剪切作用，剪切力-位移的關(guān)系為

式中：τmax為最大剪切應(yīng)力，Pa；Sj為剪切位移，m；i為水平剪切變形模數(shù)，m；且有

式中：c為土壤的內(nèi)聚力，N；p為地面壓力，Pa；φ為土壤內(nèi)摩擦角，（°）.

根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，本文沼澤地面選擇的是含水量為55%的黏土［3］，參數(shù)如表1所示.

表1 黏土路面參數(shù)表Tab.1 Parameter of ground stiffness of clay pavement

3 仿真分析

履帶推土機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的非線性多體系統(tǒng).履帶板與地面的擠壓過程屬于典型的接觸過程，應(yīng)用RecurDyn軟件能求解此類大規(guī)模及復(fù)雜接觸的多體動(dòng)力學(xué)問題.對(duì)兩種接地比壓的履帶式濕地推土機(jī)的行走系統(tǒng)在相同含水量的路面條件下進(jìn)行仿真分析.在仿真分析之前建立系統(tǒng)坐標(biāo)系，沿車行走方向?yàn)榭v向，即－x方向，垂直于地面的方向?yàn)樨Q直方向即y方向，z方向?yàn)榇怪避圀w方向，符合右手定則.履帶式濕地系列推土機(jī)按車重分別為17 500，17 800kg，仿真時(shí)間為40s，仿真步數(shù)為800步.設(shè)置運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)，并進(jìn)行沼澤地路面上的運(yùn)動(dòng)仿真分析，取推土機(jī)最常見的工作狀態(tài)，直線推土作業(yè)循環(huán)和惡劣工況滿載轉(zhuǎn)向工況，來分析關(guān)鍵部件的受力情況.圖3為履帶式濕地系列推土機(jī)在沼澤地路面上的仿真示意圖.

圖3 履帶式濕地推土機(jī)在沼澤地路面上的仿真示意圖Fig.3 Simulation of the crawler wetland bulldozers in the swamp road

3.1 基本型和濕地型推土機(jī)的負(fù)重輪受力對(duì)比分析

推土機(jī)在直線推土作業(yè)過程中，各個(gè)負(fù)重輪的垂向受力是不同的，以負(fù)重輪7的受力圖為例說明一下該系列推土機(jī)的基本型和濕地型推土機(jī)的負(fù)重輪受力情況的特點(diǎn)及不同之處.通過圖4可以看出負(fù)重輪在不同運(yùn)動(dòng)階段的受力情況是不同的.0～3s推土機(jī)落至虛擬地面上，負(fù)重輪的受力有很大的波動(dòng)，這個(gè)過程在現(xiàn)實(shí)中不存在，可以忽略.剛開始切土的時(shí)候［4］，由于切土比較淺，作用在推土鏟上的力是方向向上的，所以負(fù)重輪垂向力有減小的趨勢(shì).之后隨著切土深度和推土板前土堆的增加，作用在推土鏟上垂向的力逐漸增加，所以負(fù)重輪上的受力有逐漸增大的趨勢(shì).在運(yùn)土過程中負(fù)重輪的垂向受力基本保持穩(wěn)定.從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)濕地型推土機(jī)負(fù)重輪的垂向受力要比基本型的推土機(jī)的負(fù)重輪的垂向受力要小，大約受力減小20%左右.這是因?yàn)闈竦匦屯仆翙C(jī)的使用環(huán)境是下陷量大的沼澤地路面，由于行走系統(tǒng)在沼澤地面的下陷使得驅(qū)動(dòng)輪也接觸到泥濘路面，參與了推土機(jī)垂向受力的分配，所以濕地型推土機(jī)的負(fù)重輪受力情況會(huì)變好.但是若負(fù)重輪受力過小，則履帶容易脫落，因此在沼澤路面上使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)給履帶施以更大一些張緊力.

3.2 直線推土作業(yè)循環(huán)工況驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩分析

從圖5可以看出在沼澤地面條件下，濕地推土機(jī)和超濕地推土機(jī)在直線推土作業(yè)循環(huán)時(shí)，隨著總阻力的增大，驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨之增大.濕地型推土機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為30.444kN·m，超濕地型推土機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為42.937kN·m，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩增大了41%，但仍小于發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器共同輸出的最大扭矩.最大驅(qū)動(dòng)扭矩增大的主要原因是超濕地推土機(jī)的行走系統(tǒng)的履帶板在加長(zhǎng)和終傳動(dòng)的部件加長(zhǎng)以后整機(jī)的質(zhì)量增大導(dǎo)致履帶和地面的滾動(dòng)阻力增大.驅(qū)動(dòng)輪的力矩除了克服作業(yè)阻力、履帶沿著路面的滾動(dòng)阻力外、還有就是克服臺(tái)車架各個(gè)運(yùn)動(dòng)零件和履帶本身的內(nèi)摩擦.由于履帶板加寬以后.鏈軌節(jié)消耗的摩擦功也增大，所以這也是超濕地推土機(jī)所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大的一個(gè)因素.因此在開發(fā)更小接地比壓的推土機(jī)的時(shí)候要注意發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器的共同輸出能否滿足推土機(jī)所需要的最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩［5］.

圖4 推土機(jī)負(fù)重輪7垂向受力曲線Fig.4 Road wheel seven vertical stress curve

圖5 推土機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩曲線圖Fig.5 Bulldozer driven rotary torque curve

3.3 相同土壤特性情況下不同接地比壓推土機(jī)的履帶板的受力對(duì)比分析

圖6是濕地系列推土機(jī)在含水量為55%的沼澤地面條件下，以1擋速度推土作業(yè)時(shí)的履帶銷軸受力曲線.取初始位置在驅(qū)動(dòng)輪的松邊履帶上的履帶銷軸進(jìn)行研究分析.推土機(jī)落地后，履帶松邊的振蕩引起履帶的銷軸受力出現(xiàn)較大的波動(dòng)，推土機(jī)在加速前進(jìn)時(shí)，該履帶處于松邊的位置上，銷軸受力變化不大，當(dāng)履帶節(jié)繞至第一個(gè)負(fù)重輪下方位置，此后該履帶銷受力緩慢增大，該值為履帶驅(qū)動(dòng)段拉力即為驅(qū)動(dòng)鏈輪的輸出牽引力.

圖6 履帶板銷軸拉力曲線Fig.6 Segments pin tension curves

從其受力曲線可以看到，濕地系列推土機(jī)在沼澤地面進(jìn)行推土作業(yè)循環(huán)時(shí)，履帶板銷軸的受力是呈周期性變化的［6］.超濕地推土機(jī)履帶銷軸受力一直比較大，而且當(dāng)該履帶板繞卷至驅(qū)動(dòng)段的時(shí)候超濕地推土機(jī)的履帶銷軸受力的最大值為濕地推土機(jī)履帶銷軸受力的大約2倍.說明當(dāng)履帶板加寬以后履帶的銷軸受力更大，更加惡劣.所以建議履帶板及銷軸的強(qiáng)度應(yīng)該增加.因?yàn)槁膸О寮訉捯院笫芰η闆r變惡劣，所以在減小接地比壓的時(shí)候，不能靠一味地加寬履帶板來增大接地面積，從而達(dá)到降低接地比壓的效果［6］.

3.4 濕地型推土機(jī)斜支撐的仿真分析以及有限元分析

推土機(jī)的導(dǎo)向裝置是由臺(tái)車架、擺動(dòng)軸和斜撐臂組成的，主要起到承重、傳遞作用力和保證車輛轉(zhuǎn)向時(shí)其行走裝置不發(fā)生橫向偏歪的作用.所以斜支撐在推土機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)的受力情況很惡劣，以濕地型推土機(jī)為例分析斜支撐在推土機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)的受力情況.從圖7中可以看出在直線行駛過程中，斜支撐和半軸的連接處受到的橫向力基本為零，而在轉(zhuǎn)向過程中受到很大的橫向力的作用.

圖7 濕地型推土機(jī)斜支撐和半軸連接處的受力曲線圖Fig.7 Wetland bulldozer oblique support and axle－connection at the graph of the force

滿載轉(zhuǎn)向的時(shí)候斜支撐與半軸接觸處受到的橫向力波動(dòng)很大，非制動(dòng)側(cè)的受力要大于制動(dòng)側(cè)受力，非制動(dòng)側(cè)受力最大值為228.761kN，制動(dòng)側(cè)受力最大值為206.371kN，所以經(jīng)常滿載轉(zhuǎn)向的推土機(jī)斜支撐處受力很惡劣.

推土鏟滿鏟推土，施加載荷為均布載荷，并考慮沖擊對(duì)整車的影響，沖擊載荷約4倍自重，在此情況下對(duì)斜支撐進(jìn)行ANSYS分析，得到的斜支撐的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖8所示.

圖8 濕地型推土機(jī)滿載轉(zhuǎn)向工況斜支撐Von Mises應(yīng)力和位移云圖Fig.8 Wetland bulldozer loaded steering conditions oblique support VonMises stress and displacement cloud

根據(jù)圖8可以看出，履帶推土機(jī)斜支撐在上述危險(xiǎn)工況下的最大應(yīng)力為110.0440MPa，發(fā)生在根部紅色區(qū)域，但低于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求，斜支撐最危險(xiǎn)的部位即為圖中深色危險(xiǎn)區(qū)域，這與斜支撐在現(xiàn)實(shí)使用過程中曾出現(xiàn)的斷裂部位是相符的.看斜支撐位移云圖發(fā)現(xiàn)斜支撐的最大位移變形位置發(fā)生在斜支撐和半軸的連接處.根據(jù)實(shí)際使用過程中斜支撐發(fā)生斷裂破壞情況，建議在鑄造時(shí)，要保證鑄造工藝，斜支撐鑄造的壁厚要均勻過渡，盡量避免斜支撐在鑄造時(shí)，上模壁厚出現(xiàn)縮松、縮孔或夾層.在鑄造時(shí)，可采取順序凝固，使得遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固，然后靠近冒口的部位凝固，最后冒口凝固.并且要保證形成遠(yuǎn)離冒口到冒口之間遞增的溫度梯.

4 結(jié)論

本文利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn對(duì)履帶濕地系列推土機(jī)進(jìn)行了仿真分析，分析了基本型推土機(jī)和濕地型推土機(jī)的負(fù)重輪在不同使用環(huán)境下的受力情況，同時(shí)對(duì)不同接地比壓的濕地系列推土機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪和履帶板以及斜支撐的受力情況進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

（1）基本型推土機(jī)的負(fù)重輪的受力要比在沼澤地路面條件下使用的濕地型推土機(jī)的負(fù)重輪受力要大20%左右.這是因?yàn)闈竦匦屯仆翙C(jī)在沼澤地環(huán)境下下陷量大，使得行走系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輪也接觸地面，承擔(dān)一部分，所以濕地型推土機(jī)的負(fù)重輪的受力要小.因此在沼澤地路面上使用時(shí)，應(yīng)給履帶施以較大的張緊力，以防止履帶脫落.

（2）為了降低濕地推土機(jī)的接地比壓，將履帶板加長(zhǎng)了以后，驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩增大了41%，但是仍小于發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同輸出的最大轉(zhuǎn)矩.因?yàn)樵谝@得更小接地比壓的濕地推土機(jī)的時(shí)候要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)向阻力等因素.

（3）履帶板加長(zhǎng)以后，履帶銷軸的受力增大，因此設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該增大板銷的剛度和強(qiáng)度，要防止履帶板銷的變形或者斷裂.

（4）仿真分析發(fā)現(xiàn)推土機(jī)的斜支撐在滿載轉(zhuǎn)向工況下橫向受力很大，進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)的最危險(xiǎn)的位置發(fā)生在根部位置，因此建議要盡量禁止?jié)M載轉(zhuǎn)向，同時(shí)建議在鑄造時(shí)，要保證鑄造工藝，斜支撐鑄造的壁厚要均勻過渡，盡量避免斜支撐在鑄造時(shí)上模壁厚出現(xiàn)縮松、縮孔或夾層.

以上的仿真結(jié)果為履帶濕地系列推土機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考，同時(shí)展現(xiàn)了多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件RecurDyn能夠?qū)β膸竦叵盗型仆翙C(jī)行走系統(tǒng)作全方位、高效率的動(dòng)力學(xué)仿真分析，是履帶系列推土機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的理想工具.

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