濕地推土機(jī)終傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析

張耀娟，成　凱，劉維維

（1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林　132021；2.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春　130022）

濕地推土機(jī)終傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析

張耀娟1，成凱2，劉維維1

（1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林132021；2.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022）

濕地推土機(jī)的工作路面是沼澤地面，終傳動(dòng)系統(tǒng)是濕地推土機(jī)的重要組成部分，能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速和力矩進(jìn)行減速增矩，將動(dòng)力傳遞到行走系統(tǒng).由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，如果采用傳統(tǒng)的理論方法計(jì)算終傳動(dòng)系統(tǒng)各零部件受力形式，計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜.利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建立濕地推土機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)直線推土和滿載轉(zhuǎn)向兩個(gè)工況中終傳動(dòng)系統(tǒng)的重要零部件——一級(jí)齒輪、二級(jí)齒輪、半軸以及大齒圈輪轂進(jìn)行受力分析，為半軸與大齒圈輪轂的改進(jìn)提供參考.

濕地推土機(jī)；終傳動(dòng)；半軸；大齒圈輪轂；RecurDyn

【引用格式】張耀娟，成凱，劉維維.濕地推土機(jī)終傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析［J］.北華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，17（3）: 409-414.

濕地推土機(jī)廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、礦業(yè)和建筑業(yè)等領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用［1］.終傳動(dòng)系統(tǒng)是履帶推土機(jī)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響著履帶推土機(jī)的工作性能.在實(shí)際工程作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，某型濕地推土機(jī)多套終傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生破壞失效，嚴(yán)重地影響整機(jī)的工作性能.由于終傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的理論方法很難對(duì)終傳動(dòng)系統(tǒng)各零部件的受力形式進(jìn)行計(jì)算.本次研究利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建立濕地推土機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)直線推土和滿載轉(zhuǎn)向兩個(gè)工況中終傳動(dòng)系統(tǒng)的重要零部件——一級(jí)齒輪、二級(jí)齒輪、半軸以及大齒圈輪轂進(jìn)行受力分析，可為半軸與大齒圈輪轂的改進(jìn)提供參考.

1　動(dòng)力學(xué)建模

在PRO/E環(huán)境下建立濕地推土機(jī)三維模型，再將所建立的三維模型以中性文件的形式導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Recurdyn中.在Recurdyn中將濕地推土機(jī)動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化為車(chē)體、平衡梁、推土裝置、行走系統(tǒng)和終傳動(dòng)機(jī)構(gòu)5個(gè)系統(tǒng).

1.1車(chē)體模型

簡(jiǎn)化時(shí)將推土機(jī)中發(fā)動(dòng)機(jī)、座椅、玻璃等實(shí)體模型去除，只在計(jì)算車(chē)體質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)時(shí)將刪除部分加入［2］.簡(jiǎn)化后的車(chē)體模型見(jiàn)圖1.

1.2行走系統(tǒng)模型

行走系統(tǒng)主要包括四輪一帶系統(tǒng)、行走架和斜支撐3部分.對(duì)于四輪一帶系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、托輪和履帶），在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Recurdyn中可以直接建立其動(dòng)力學(xué)模型，各零部件間的約束關(guān)系也會(huì)自動(dòng)生成，建模方便［3-4］；行走架和斜支撐的動(dòng)力學(xué)模型采用導(dǎo)入的模型.行走系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖2所示.

1.3工作裝置模型

在后續(xù)的分析中，由于推土阻力是以函數(shù)的形式作用在推土鏟上，所以仿真結(jié)果與工作裝置的形狀以及相應(yīng)的液壓系統(tǒng)無(wú)關(guān)，可將相應(yīng)的液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化.簡(jiǎn)化后的工作裝置動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖3.

1.4終傳動(dòng)模型

終傳動(dòng)是濕地推土機(jī)的重要組成部分，主要由一級(jí)齒輪、二級(jí)齒輪、半軸、大齒圈輪轂、延伸套等組成.濕地推土機(jī)動(dòng)力的傳動(dòng)路線為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速和力矩經(jīng)一級(jí)齒輪和二級(jí)齒輪減速增扭，再通過(guò)鏈輪帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng).具體結(jié)構(gòu)關(guān)系見(jiàn)圖4.

1.5路面模型

根據(jù)濕地推土機(jī)的實(shí)際工作情況建立沼澤地路面.沼澤地路面動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖5，根據(jù)貝克理論路面參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表1.

表1　土壤參數(shù)Tab.1　Soil parameters

1.6濕地推土機(jī)整車(chē)模型集成

在Recurdyn中將各簡(jiǎn)化系統(tǒng)添加相應(yīng)的約束關(guān)系，使其運(yùn)動(dòng)原理和運(yùn)動(dòng)形式與濕地推土機(jī)真實(shí)工作情況一致.用到的主要約束有轉(zhuǎn)動(dòng)副、平動(dòng)副、球鉸等，各零部件的約束形式見(jiàn)表2，整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖6.

表2　主要零部件的約束形式Tab.2　Constraint form ofmain parts

2　仿真工況確定

濕地推土機(jī)的工作路面是沼澤地面，根據(jù)濕地推土機(jī)在沼澤地面中存在的工況，對(duì)直線推土作業(yè)循環(huán)工況和滿載轉(zhuǎn)向推土工況進(jìn)行分析.其中，直線推土作業(yè)循環(huán)工況是最主要的工作形式，滿載轉(zhuǎn)向推土工況是工作時(shí)的一種極惡劣工況，對(duì)這兩種工況下推土機(jī)終傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行受力分析.為了在達(dá)到一定仿真精確度的同時(shí)提高仿真效率，對(duì)仿真分析做如下幾點(diǎn)假設(shè)［5-6］:

1）除了張緊裝置與沼澤地路面是彈性元件外，其余零部件都處理為剛性元件，只在相連接的運(yùn)動(dòng)副中設(shè)置相對(duì)剛度.

2）考慮到建模的高效性，將對(duì)仿真結(jié)果沒(méi)有影響的液壓系統(tǒng)、油箱、螺栓等零部件去掉，只將它們的質(zhì)量折算到相連接的零部件中.

3　仿真結(jié)果

3.1直線推土循環(huán)作業(yè)工況

直線推土循環(huán)作業(yè)工況包括鏟刀入土、定深集土、水平運(yùn)土、卸土和倒退5個(gè)主要工序.設(shè)置仿真過(guò)程中推土機(jī)在0～3 s由于重力作用落至虛擬地面；3～21.75 s濕地推土機(jī)以一定的加速度加速到一擋進(jìn)行直線推土作業(yè)；21.75～31.75 s進(jìn)行鏟刀入土、定深集土、水平運(yùn)土3個(gè)作業(yè)過(guò)程；31.75～35.5 s進(jìn)行卸土作業(yè)；35.5～40 s以一定的加速度加速至三擋；40 s以后推土機(jī)以三擋速度勻速后退.

將推土機(jī)作業(yè)過(guò)程中推土鏟受到的土壤阻力分解為水平和豎直兩個(gè)方向的阻力.在3～21.75 s時(shí)推土鏟上的工作阻力逐漸增加；在21.75 s時(shí)達(dá)到最大；在21.75～31.75 s的運(yùn)土過(guò)程中工作阻力減??；31.75～35.5 s推土機(jī)開(kāi)始卸土過(guò)程，力減小為0.所施加的水平方向和豎直方向的工作阻力仿真函數(shù)分別為

FX=IF（time-40:IF（time-35.5:IF（time-31.75:IF（time-21.75:IF（time-3:0，700，1284*time-3152），6955，6955），6955，-1855*time+65852.5），0，0），0，0）；

FY=IF（time-40:IF（time-35.5:IF（time-31.75:IF（time-21.75:IF（time-3:0，4000，-585*time+ 2245），-1956.6，-1956.6），-1956.6，521.76*time-18522.48），0，0），0，0）.

提取一級(jí)直齒圓柱齒輪嚙合處圓周力、徑向力曲線，見(jiàn)圖7、圖8.由圖7、圖8可以看出:濕地推土機(jī)在進(jìn)行直線推土作業(yè)時(shí)，一級(jí)齒輪的受力隨著作用在推土鏟上載荷的變化而變化，在21.75 s工作阻力達(dá)到最大時(shí)，力達(dá)到最大，最大值分別為53.2，30.9 kN.

提取二級(jí)直齒圓柱齒輪嚙合處圓周力、徑向力曲線，見(jiàn)圖9、圖10.由圖9、圖10可以看出:在進(jìn)行直線推土作業(yè)時(shí)，二級(jí)齒輪的受力隨著作用在推土鏟上載荷的變化而變化，在21.75 s工作阻力達(dá)到最大時(shí)，這時(shí)力達(dá)到最大，最大值分別為60，64.3 kN.

半軸是以過(guò)盈配合的方式壓入車(chē)體，分析終傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式可以看出:作用在車(chē)體的載荷一部分傳遞到半軸，另一部分傳遞到大齒圈輪轂.由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用理論方法計(jì)算這兩者間載荷的分配形式很復(fù)雜，通過(guò)濕地推土機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型可以直接提取半軸和大齒圈輪轂各自所分配到的載荷，大大提高了結(jié)構(gòu)分析效率.提取的半軸受力曲線和大齒圈輪轂受力曲線見(jiàn)圖11、圖12.可以看出:半軸受力的最大值為11.2 k N，大齒圈輪轂受力的最大值為54.3 kN，大齒圈輪轂的受力約為半軸受力的5倍.半軸采用的材料為42 Cr MoH，大齒圈輪轂采用的材料為45Mn，兩者相比，半軸材料的機(jī)械綜合性能優(yōu)于大齒圈輪轂，但是在直線推土作業(yè)工況中分配到半軸上的力遠(yuǎn)小于大齒圈輪轂的受力，造成了材料浪費(fèi).

3.2滿載轉(zhuǎn)向工況

濕地型推土機(jī)的轉(zhuǎn)向形式為制動(dòng)轉(zhuǎn)向，即推土機(jī)的一側(cè)制動(dòng)，另一側(cè)以一定的速度行駛實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向.仿真設(shè)置轉(zhuǎn)向過(guò)程中一側(cè)行駛速度為0，另一側(cè)以一擋速度行駛.在0～3 s，推土機(jī)由于重力作用在地面上靜止，左右兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)分別為［7-8］

V1=IF（time-21.75:IF（time-11:IF（time-3:0，-32，1.25*time-35.75），-22，2.05*time-44.6），-32，-32）；

V2=IF（time-21.75:IF（time-11:IF（time-3:0，-32，1.25*time-35.75），0，0），-32，-32）.

提取一級(jí)直齒圓柱齒輪非制動(dòng)側(cè)嚙合處圓周力、徑向力曲線，見(jiàn)圖13、圖14.由圖13、圖14可以看出:濕地推土機(jī)在滿載轉(zhuǎn)向工況，一級(jí)直齒圓柱齒輪的受力在滿載轉(zhuǎn)向過(guò)程中波動(dòng)很大，受力最大值分別為95.6，90.2 kN.

提取二級(jí)直齒圓柱齒輪嚙合處圓周力、徑向力曲線，見(jiàn)圖15、圖16.由圖15、圖16可以看出:濕地推土機(jī)在滿載轉(zhuǎn)向工況，二級(jí)直齒圓柱齒輪的受力在滿載轉(zhuǎn)向過(guò)程中波動(dòng)很大，受力的最大值分別為95.6，165.2 kN.

提取的半軸受力曲線和大齒圈輪轂受力曲線見(jiàn)圖17、圖18.可以看出:半軸受力的最大值為18.4 kN，大齒圈輪轂受力的最大值為150 kN.大齒圈輪轂的受力約為半軸受力的8倍，說(shuō)明在滿載轉(zhuǎn)向工況中分配到半軸上的力同樣遠(yuǎn)小于大齒圈輪轂的受力，造成了材料浪費(fèi)［9-11］.

4　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)建立濕地推土機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其在直線推土作業(yè)工況和滿載轉(zhuǎn)向兩個(gè)工況進(jìn)行仿真分析，分別提取終傳動(dòng)中的重要零部件——一級(jí)齒輪、二級(jí)齒輪、半軸以及大齒圈輪轂的受力曲線，得到了在兩種作業(yè)工況下終傳動(dòng)系統(tǒng)重要零部件受力的最大值和受力趨勢(shì).另外，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真可以方便快速地得出半軸與大齒圈輪轂的載荷分配關(guān)系.通過(guò)仿真結(jié)果分析可以看出:在直線推土作業(yè)和滿載轉(zhuǎn)向兩個(gè)工況中，半軸雖然采用了綜合機(jī)械性能更好的材料，但受力卻遠(yuǎn)小于大齒圈輪轂的受力，造成了材料浪費(fèi).根據(jù)仿真結(jié)果，提出以下兩個(gè)方面改進(jìn)建議:1）半軸的材料采用綜合機(jī)械性能較低的材料；2）改進(jìn)終傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，使力的分配更加合理，即通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)使半軸的受力與大齒圈輪轂的受力接近.

［1］張耀娟，成凱.履帶推土機(jī)行走系統(tǒng)推土轉(zhuǎn)向工況仿真［J］.北華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，16（5）:677-681.

［2］耿宇明.平架推土機(jī)履帶行走系統(tǒng)仿真與行走架分析［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2013.

［3］王軍，孫大剛，宋勇，等.履帶式推土機(jī)橡膠減振器沖擊特性分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（2）:19-20，24.

［4］張德，鄒樹(shù)梁，唐德文，等.基于RecurDyn的防輻射履帶式挖掘機(jī)越障性能研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（5）:83-88.

［5］陳倫軍，湯何勝.基于故障樹(shù)推土機(jī)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)可靠性仿真分析［J］.煤礦機(jī)械，2009，30（8）:229-231.

［6］王建春，高繼明.履帶推土機(jī)的差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)［J］.工程機(jī)械與維修，2012（6）:118-120.

［7］楊洪征，沈玉鳳，張春明.基于ADAMS的推土機(jī)差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，24（2）:101-104，110.

［8］劉維維.非公路礦用寬體自卸車(chē)行駛性能仿真分析［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2015.

［9］孟祥杰.高驅(qū)推土機(jī)行走系的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2013.

［10］Yang Congbin，Gu Liang，Lv Weiwei.Study of factors with effects on tracked vehicle driving resistance basis of bekker theory［J］. ICAME，2013，288:80-83.

［11］張耀娟，成凱，周振平，等.履帶車(chē)輛終傳動(dòng)與行走系統(tǒng)過(guò)盈接觸［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2014，44（2）:369-378.

【責(zé)任編輯：郭偉】

Simulation Analysis on the Final Drive System of Wetland Crawler Bulldozer

Zhang Yaojuan1，Cheng Kai2，Liu Weiwei1
（1.Mechanical Engineering College of Beihua University，Jilin 132021，China；2.Mechanical Science and Engineering College of Jilin University，Changchun 130022，China）

Wetland crawler bulldozer works in swampland. Final drive system as an important part of wetland crawler bulldozer，passes the speed and moment to the walking system.The forces between parts are not easy to simulate by theoretical calculation due to the complex structures. However，they can be simulated easily by dynamic theory.The dynamic model of wetland crawler bulldozer was built.The forces in pushing soil straightly and turning fully loaded are simulated by dynamic theory included single reduction gear，double reduction gear， half axis and large gear ring wheel hub，which provide some preferences for the design of wetland crawler bulldozer.

wetland crawler bulldozer；final drive system；half axis；large gear ring wheel hub；RecurDyn

U415.512

A

1009-4822（2016）03-0409-06

10.11713/j.issn.1009-4822.2016.03.029

2016-03-02

國(guó)家科技部國(guó)際科技合作項(xiàng)目（2009DFR80010）.

張耀娟（1981-），女，博士，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究，E-mail:zhangyaojuan0714@163.com；通信作者:成凱（1962-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工程機(jī)械性能與測(cè)控技術(shù)研究，E-mail:94778754@qq.com.