輪式推土機(jī)械懸掛閉鎖有效性評(píng)價(jià)方法分析

陶　帥，林浩洋，郝　剛，劉　玉，劉振廣

(1. 63956部隊(duì),北京　100093； 2. 77569部隊(duì) 35分隊(duì),拉薩　851400；

3.總裝器材供應(yīng)中心,北京　100120)

輪式推土機(jī)械懸掛閉鎖有效性評(píng)價(jià)方法分析

陶帥1，林浩洋2，郝剛3，劉玉1，劉振廣1

(1. 63956部隊(duì),北京100093； 2. 77569部隊(duì) 35分隊(duì),拉薩851400；

3.總裝器材供應(yīng)中心,北京100120)

摘要：為滿足4軸輪式推土機(jī)械在現(xiàn)階段面臨高速行駛穩(wěn)定性和其自身作業(yè)穩(wěn)定性間的需求，工程設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了一種懸掛和閉鎖結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)結(jié)合的新型懸掛系統(tǒng)；但由于現(xiàn)實(shí)的懸掛閉鎖裝置不能實(shí)現(xiàn)理想的閉鎖，懸掛系統(tǒng)可能產(chǎn)生的內(nèi)泄、油液污染等問(wèn)題的存在，導(dǎo)致懸掛閉鎖系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)有效性評(píng)價(jià)的問(wèn)題；通過(guò)建立推土機(jī)械整機(jī)簡(jiǎn)化模型，以閉鎖機(jī)構(gòu)作用時(shí)的推土作業(yè)穩(wěn)定性為目標(biāo)，分析閉鎖機(jī)構(gòu)有效性影響因素和作用規(guī)律，研究結(jié)果表明：閉鎖機(jī)構(gòu)有效性可用油缸沉降量進(jìn)行間接評(píng)價(jià)；研究結(jié)論為懸掛閉鎖系統(tǒng)的有效性評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：輪式；推土機(jī)械；懸掛；閉鎖；評(píng)價(jià)

Analysis on Availability Evaluation Method of

Suspension Atresia of Wheel Bulldozer

TAO Shuai1, LIN Hao-yang2, HAO Gang3, LIU Yu1, LIU Zhen-guang1

(1.The No. 63956thTroop of PLA, Beijing 100093, China; 2.The No. 77569thTroop of PLA,

4軸輪式推土機(jī)械具有高速行駛減振和作業(yè)穩(wěn)定性的雙重要求，而兩者之間又是矛盾的。一般情況下，底盤(pán)系統(tǒng)若全部懸掛裝置采用彈性懸掛，可滿足高速行駛的減振需求，但彈性支撐狀態(tài)下，推土鏟刀向下推壓或向上提升過(guò)程中，車(chē)體就發(fā)生抬頭或翹尾現(xiàn)象，無(wú)法進(jìn)行正常的推土作業(yè)；而若將全部懸掛裝置閉鎖成剛性懸掛，雖然車(chē)體在不發(fā)生抬頭和翹尾的情況下便可產(chǎn)生較大的推壓力、提升力和較好的作業(yè)穩(wěn)定性，但是會(huì)導(dǎo)致整機(jī)行駛時(shí)的共振頻率，影響行駛性能。為此，工程設(shè)計(jì)人員提供了一種懸掛和閉鎖結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)結(jié)合的新型懸掛系統(tǒng)，從而達(dá)到兩種效果：一是懸掛裝置在高速行駛時(shí)為彈性懸掛，閉鎖機(jī)構(gòu)隨動(dòng)；二是作業(yè)時(shí)，通過(guò)閉鎖機(jī)構(gòu)閉鎖懸掛系統(tǒng)，增大懸掛剛度，提高作業(yè)穩(wěn)定性。

一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)實(shí)的懸掛閉鎖裝置不能實(shí)現(xiàn)理想的閉鎖，只能增加懸掛剛度；同時(shí)，由于工作環(huán)境或自身結(jié)構(gòu)的原因，在壽命周期內(nèi)，懸掛系統(tǒng)可能產(chǎn)生內(nèi)泄、油液污染等問(wèn)題，使閉鎖結(jié)構(gòu)剛度低于設(shè)計(jì)值，即閉鎖裝置在使用過(guò)程中將會(huì)面臨失效的威脅。這些問(wèn)題導(dǎo)致輪式推土機(jī)械面臨有效性檢測(cè)問(wèn)題，即閉鎖機(jī)構(gòu)在什么狀態(tài)下可判定為失效。下面擬通過(guò)剛度對(duì)推土作業(yè)穩(wěn)定性的影響分析，探討測(cè)定閉鎖有效的試驗(yàn)方法。

1理論建模

由于實(shí)際推土作業(yè)工況比較復(fù)雜，很難定量評(píng)價(jià)閉鎖機(jī)構(gòu)對(duì)作業(yè)平穩(wěn)性的作用[1-3]?？紤]到車(chē)輛在實(shí)施推土作業(yè)時(shí)的行駛速度較低，外擾頻率小的實(shí)際特點(diǎn)，可以將推土過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性等效。

1.1　基本假設(shè)

閉鎖與推土平穩(wěn)性關(guān)系主要體現(xiàn)在推土鏟提升時(shí)對(duì)車(chē)體俯仰角的影響，為了集中體現(xiàn)提升力與俯仰角的關(guān)系，假定如下：

地面水平；車(chē)體和推土鏟是剛體；彈簧等懸掛在未作業(yè)時(shí)的初始位置平行于地面的垂向；忽略阻尼對(duì)車(chē)輛的影響，即按照靜力學(xué)方法對(duì)俯仰角進(jìn)行分析；忽略輪胎氣壓不同引起的車(chē)輛重心偏移，即車(chē)體重心相對(duì)車(chē)體不變；在車(chē)體發(fā)生俯仰時(shí)，輪胎的主剛度方向與彈簧方向一致。

1.2　簡(jiǎn)化模型

由于假設(shè)機(jī)械?？柯访鏋樗铰访?，同一軸上的左右兩個(gè)彈簧特性相同，所以可以將兩個(gè)彈簧等效為具有單個(gè)彈簧2倍剛度的彈簧，在此基礎(chǔ)上就可以建立車(chē)輛的平面簡(jiǎn)化模型[4,5]，如圖1所示。

圖1　輪式推土機(jī)械受力簡(jiǎn)圖

當(dāng)車(chē)體受到鏟刀刃處提升力F的作用時(shí)，車(chē)體重心會(huì)向后、向下移動(dòng)，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)相對(duì)于未受力狀態(tài)時(shí)的一個(gè)俯仰角γ，由于懸掛彈簧與車(chē)體鉸接，當(dāng)車(chē)體發(fā)生俯仰時(shí)，如圖2所示，懸掛彈簧隨之產(chǎn)生一定偏移角，偏移角度分別設(shè)為α1、α2、α3、α4。

當(dāng)車(chē)體由于推土鏟提升力的作用產(chǎn)生俯仰變化時(shí)，車(chē)體各點(diǎn)相對(duì)于物理坐標(biāo)(絕對(duì)坐標(biāo))的位置發(fā)生了變化，為準(zhǔn)確把握彈簧與車(chē)體連接位置的坐標(biāo)變化量，擬利用坐標(biāo)變換方法對(duì)其進(jìn)行分析。

圖2　輪式推土機(jī)械受力后簡(jiǎn)圖

設(shè)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ橋與地面接觸點(diǎn)相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)為A1(ya1,za1)、A2(ya2,za2)、A1(ya2,za2)、A1(ya2,za2)，未發(fā)生俯仰時(shí)與車(chē)體鉸接點(diǎn)坐標(biāo)為B1(yb1,zb1)、B2(yb2,zb2)、B1(yb2,zb2)、B1(yb2,zb2)，發(fā)生俯仰后與車(chē)體鉸接點(diǎn)坐標(biāo)為C1(yc1,zc1)、C2(yc2,zc2)、C1(yc2,zc2)、C1(yc2,zc2)，其中C點(diǎn)坐標(biāo)是由B點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)坐標(biāo)變換得到；重心偏移量為(a,b)；I至IV橋懸掛剛度分別為k1、k2、k3、k4，切削刃與地面接觸位置E到A1點(diǎn)距離為l，車(chē)重為G。

按照力平衡方程和力矩平衡方程，建立車(chē)輛在提升力作用下的力學(xué)平衡方程為

G=F1cosα1+F2cosα2+F3cosα3+F4cosα4-F

(1)

G(l1+l4)-F2cosα2l1-F3cosα3(l1+l2)-

F4cosα4(l1+l2+l3)-Fl=0

(2)

Gl4+F1cosα1l1-F3cosα3l2-F4cosα4×

(3)

Gl5-F1cosα1(l1+l2)-F2cosα2l2+

F4cosα4l3+F(l+l1+l2)=0

(4)

G(l5+l3)-F1cosα1(l1+l2+l3)-F2cosα2×

(5)

式(1)~式(5)中

l1=ya2-ya1;l2=ya3-ya2;

l3=ya4-ya3;

l4=a-ya2;l5=ya3-a；

F1=F10+k1x1;F2=F20+k2x2;

F3=F30+k3x3;F4=F40+k4x4

x1=b1-c1;x2=b2-c2;x3=b3-c3

其中：F10、F20、F30、F40分別為各橋在車(chē)體發(fā)生俯仰前，地面對(duì)彈性懸架的反作用力，即軸載，F(xiàn)1、F2、F3、F4分別為各橋在車(chē)體發(fā)生俯仰后地面對(duì)彈性懸架的反作用力，其由初始軸載和受力變化量?jī)刹糠纸M成。

2推土作業(yè)穩(wěn)定性影響因素分析

推土機(jī)械I至IV橋懸掛初始剛度分別為k1=k2、k3=k4(已知)，整車(chē)重量、l1、l2、l3、l4、l5、F已知。通過(guò)式(1)～(5)，對(duì)I、IV橋剛度變化對(duì)車(chē)體俯仰角的變化進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算，可以得到在相同提升力作用下，車(chē)體俯仰角隨I、IV橋剛度變化的規(guī)律，如圖3所示。

從圖3中車(chē)體俯仰角隨I、IV橋剛度的變化曲線中可以看出：

1) 在一定的最大提升阻力(與最大提升力等值、反向)作用下，車(chē)體的俯仰角會(huì)隨著I、IV橋剛度的增大而減小；

2) 車(chē)體俯仰角的變化率隨著I、IV橋剛度的逐漸增加而減小，即隨著剛度的增加，相同的剛度增量帶來(lái)的車(chē)體穩(wěn)定性效果越來(lái)越不顯著，直至I、IV橋變?yōu)閯傮w，即車(chē)體不發(fā)生俯仰，但這種狀態(tài)為理想狀態(tài)，且對(duì)于輪式機(jī)械而言是不可能達(dá)到的狀態(tài)。

圖3　車(chē)體俯仰角隨I、IV橋剛度變化規(guī)律

通過(guò)上述分析，可以得出如下結(jié)論：輪式機(jī)械的閉鎖機(jī)構(gòu)有利于提高作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性，但這種提升效果隨著剛度的增加而逐漸減弱。為了直觀的表達(dá)這種效果，可以I、IV橋剛度的變化為自變量，以車(chē)體俯仰角降低的幅度百分比為因變量，繪制兩者的關(guān)系圖，如圖4所示。

輪式機(jī)械達(dá)不到完全閉鎖是由輪式裝甲車(chē)輛的懸掛剛度的組成結(jié)構(gòu)決定的。I、IV橋剛度的增加是有利于車(chē)輛的作業(yè)穩(wěn)定性的。閉鎖機(jī)構(gòu)可以認(rèn)為是懸掛彈簧的一個(gè)組成部分，懸掛彈簧kx和閉鎖機(jī)構(gòu)剛度kb兩者之間是并聯(lián)關(guān)系，并聯(lián)剛度kbx為

(6)

kb的取值范圍在理論上可以是0～+∞，當(dāng)閉鎖完全失效時(shí)，閉鎖和懸掛彈簧的剛度為懸掛彈簧剛度，當(dāng)閉鎖達(dá)到理論的剛性閉鎖效果時(shí)，懸掛彈簧和閉鎖機(jī)構(gòu)可以認(rèn)為是一個(gè)剛體。

對(duì)于輪式機(jī)械而言，I、IV橋的剛度是由兩部分：一是懸掛、閉鎖彈簧kbx，二是輪胎kl，兩者之間是串聯(lián)關(guān)系，整體剛度k為

(7)

所以，對(duì)于輪式車(chē)輛機(jī)械而言， 安裝閉鎖機(jī)構(gòu)的某橋剛度值小于kbx和kl中的最小值。懸掛、閉鎖機(jī)構(gòu)的剛度小于輪胎剛度時(shí)，車(chē)輛懸掛剛度小于懸掛、閉鎖機(jī)構(gòu)剛度；閉鎖機(jī)構(gòu)即使實(shí)現(xiàn)理想的完全閉鎖，該橋最大剛度不會(huì)大于輪胎自身剛度。這就導(dǎo)致了對(duì)于輪式車(chē)輛而言，閉鎖機(jī)構(gòu)對(duì)降低車(chē)體俯仰角的貢獻(xiàn)是具有上限的。

圖4　車(chē)體俯仰角隨I、IV橋剛度變化規(guī)律

3閉鎖機(jī)構(gòu)有效性測(cè)量實(shí)例方法分析

從上述分析可以看出，閉鎖機(jī)構(gòu)的狀態(tài)對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響是比較大的。在輪式機(jī)械中，安裝閉鎖機(jī)構(gòu)的某橋的剛度小于兩者中的任一個(gè)，而橋的剛度直接影響機(jī)械作業(yè)穩(wěn)定性。在閉鎖機(jī)構(gòu)的實(shí)際結(jié)構(gòu)中，完全閉鎖是一個(gè)理想狀態(tài)，這是由于在閉鎖機(jī)構(gòu)的油路中不可避免的存在氣泡等不利于閉鎖實(shí)現(xiàn)的因素存在，導(dǎo)致閉鎖機(jī)構(gòu)不能達(dá)到完全閉鎖狀態(tài)。在這種情況下，迫切需要對(duì)車(chē)輛閉鎖機(jī)構(gòu)的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定車(chē)輛的作業(yè)穩(wěn)定性。

一般來(lái)說(shuō)，閉鎖機(jī)構(gòu)的液壓缸是不允許有內(nèi)泄等問(wèn)題存在的，也就是說(shuō)只要閉鎖機(jī)構(gòu)出現(xiàn)泄壓等問(wèn)題，閉鎖機(jī)構(gòu)就可以被認(rèn)為是失效。但是由于通過(guò)上述分析可以看出，閉鎖機(jī)構(gòu)只要存在剛度，其對(duì)作業(yè)穩(wěn)定性的影響就是正的。在這種情況下，如果以是否有泄壓現(xiàn)象判別閉鎖機(jī)構(gòu)的有效性就過(guò)于嚴(yán)格。所以在實(shí)際評(píng)價(jià)過(guò)程中，允許閉鎖缸存在內(nèi)泄等導(dǎo)致壓力泄露等問(wèn)題的存在。

如果允許閉鎖液壓缸出現(xiàn)內(nèi)泄現(xiàn)象，在一定的高壓狀態(tài)，壓力的下降和液壓油泄露量之間的關(guān)系為

dp/dt=Q×k/V

(8)

式(8)中：p為液壓缸壓力；Q為泄漏量；k為液壓油體積彈性模量；V為高壓腔容積。

根據(jù)式(8)可以看出，如果液壓缸出現(xiàn)泄露現(xiàn)象，隨著時(shí)間的推移，閉鎖缸內(nèi)部壓力會(huì)逐漸下降，直至完全失效。如果閉鎖油缸允許壓力降低，在判別閉鎖油缸有效性的測(cè)試中就需要考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

1) 界定閉鎖油缸在提升作業(yè)穩(wěn)定性效果的具體指標(biāo)，如假定閉鎖油缸有效時(shí)，車(chē)體俯仰角較不采用閉鎖機(jī)構(gòu)時(shí)的俯仰角減小的百分比為定量指標(biāo)。這也是閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)置的經(jīng)濟(jì)性、有效性、必要性的需求；

2) 需要根據(jù)機(jī)械要求的作業(yè)時(shí)間，以及對(duì)閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)壓維護(hù)的維修時(shí)間間隔，確定閉鎖油缸的有效性時(shí)間，進(jìn)而明確閉鎖油缸的最大允許泄露量；

在上述2點(diǎn)基礎(chǔ)上，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閉鎖機(jī)構(gòu)的有效性測(cè)試和判定，其測(cè)試路線圖如圖5所示。

圖5　閉鎖機(jī)構(gòu)有效性試驗(yàn)方法路線

由式(8)可知，閉鎖油缸的剛度在加載力變化不大的情況下，剛度與閉鎖油缸的沉降量成正比例關(guān)系。因此，對(duì)于閉鎖油缸的有效性檢驗(yàn)，可以通過(guò)確定閉鎖油缸有效時(shí)的剛度下限值，分析閉鎖油缸在固定力加載下的沉降量，以該沉降量為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)閉鎖油缸進(jìn)行有效性評(píng)價(jià)。

綜合考慮閉鎖機(jī)構(gòu)的效能和價(jià)格，輪式推土機(jī)械檢測(cè)機(jī)構(gòu)在確定閉鎖機(jī)構(gòu)有效時(shí)，暫時(shí)確定：在設(shè)計(jì)的最大提升力作用下，相對(duì)于不采用閉鎖機(jī)構(gòu)，車(chē)體的俯仰角最少降低一定的百分比(如20%)才可認(rèn)為有效。

同時(shí)為了試驗(yàn)的方便，施加在閉鎖機(jī)構(gòu)上的固定加載力可以通過(guò)下壓鏟刀、使輪胎抬起、執(zhí)行閉鎖、提升鏟刀的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)閉鎖機(jī)構(gòu)的定值加載。基于上述分析及對(duì)閉鎖機(jī)構(gòu)剛度與車(chē)體俯仰角間關(guān)系的理論分析，如果降低俯仰角度比例為20%，則某型輪式推土機(jī)械I、IV橋的剛度不能小于***kN/m。進(jìn)而結(jié)合閉鎖油缸的結(jié)構(gòu)及油液特性，推導(dǎo)出一橋閉鎖機(jī)構(gòu)在承受固定負(fù)載情況下閉鎖油缸的沉降量。以該沉降量作為評(píng)價(jià)閉鎖是否有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)。該方法在輪式推土機(jī)械評(píng)價(jià)中得到了認(rèn)可和實(shí)施。

4結(jié)論

通過(guò)建立推土機(jī)械整機(jī)簡(jiǎn)化模型，以閉鎖機(jī)構(gòu)作用時(shí)的推土作業(yè)穩(wěn)定性為目標(biāo)，分析了作業(yè)懸掛系統(tǒng)中的閉鎖機(jī)構(gòu)剛度與整機(jī)俯仰角之間的關(guān)系：在一定的最大提升阻力作用下，車(chē)體的俯仰角會(huì)隨著I、IV橋剛度的增大而減小；車(chē)體俯仰角的變化率隨著I、IV橋剛度的逐漸增加而減小，即隨著剛度的增加，相同的剛度增量帶來(lái)的車(chē)體穩(wěn)定性效果越來(lái)越不顯著。研究表明可以通過(guò)對(duì)閉鎖機(jī)構(gòu)的沉降量來(lái)間接評(píng)價(jià)懸掛系統(tǒng)的有效性。最后通過(guò)實(shí)際測(cè)試分析，證明了測(cè)試方法的正確性，為閉鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)測(cè)試和評(píng)價(jià)提供了支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳永平.工程機(jī)械可靠性[M].北京:人民交通出版社,2009.

[2]牟致忠.機(jī)械可靠性理論、方法、應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3]ISO13562-2000,Industrialvariable-reachtrucks-part1:Stabilitytests[S].

[4]何熴.車(chē)輛整車(chē)建模與動(dòng)力學(xué)仿真[D].南京:南京理工大學(xué),2009.

[5]湯久望,王紅巖,張欲寶,等.履帶式軍用工程機(jī)械推土作業(yè)時(shí)懸掛閉鎖策略研究[J].兵工學(xué)報(bào),2011,32(9):1149-1153.

(責(zé)任編輯唐定國(guó))

收稿日期：2014-10-16

基金項(xiàng)目：裝備重點(diǎn)研究項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：陶帥(1985—)，男，博士，主要從事振動(dòng)沖擊防護(hù)、微隔振和試驗(yàn)鑒定研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.036

中圖分類號(hào)：TH17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0707(2015)07-0144-04

本文引用格式：陶帥，林浩洋，郝剛，等.輪式推土機(jī)械懸掛閉鎖有效性評(píng)價(jià)方法分析[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(7):144-147.

Citation format:TAO Shuai, LIN Hao-yang, HAO Gang, et al.Analysis on Availability Evaluation Method of Suspension Atresia of Wheel Bulldozer [J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):144-147.

Lhasa, 851400, China; 3.Mechanical Purchasing Station, Beijing 100120, China)

Abstract:For the demands of driving and operation stability of four axle’s wheel bulldozer, engineer designed a new hitch which combined the hanging and blocking. Because the new hitch could not get ideal hanging actual, the hanging system may have problems, such as leakage and oil pollution, the evaluation of blocking becomes a necessary work. For researching the influencing factor’s action principle and getting suitable evaluation method, a simple model of whole bulldozer was built by the aim of bulldozer’s stability, the result shows that the evaluation of blocking’s availability could be getting by the cylinder’s tolerable settlement. The research result offers supporting for hitch’s blocking evaluation.

Key words:wheel; bulldozer; hanging; blocking; evaluation

【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】