電鏟履帶系統(tǒng)AdamS ATV動態(tài)仿真

鄒偉

摘要：針對重型履帶系統(tǒng)復(fù)雜的車輛-地面力學(xué)問題，使用Adams ATV模塊建立電鏟整機模型，準(zhǔn)確計算在軟地面爬坡、轉(zhuǎn)彎和越障等工況下履帶系統(tǒng)的驅(qū)動力矩和支重輪受力。爬坡工況下履帶系統(tǒng)驅(qū)動力矩仿真結(jié)果與理論值基本一致，轉(zhuǎn)彎工況下驅(qū)動力矩理論值與仿真結(jié)果的相對誤差在2.5%-26.2%區(qū)間;原地轉(zhuǎn)彎所需驅(qū)動力矩與12.5°坡角爬坡所需驅(qū)動力矩接近。在硬地面越障時，支重輪受力最大值占整機總重力的41.8%。與實際使用值對比結(jié)果表明，仿真結(jié)果和理論計算值可作為方案設(shè)計的參考，且理論計算值偏于保守;各工況計算結(jié)果可為動力配置和后繼強度設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電鏟;重型履帶系統(tǒng);驅(qū)動力矩;支重輪;動力

中圖分類號：TP391.92;U469.694文獻標(biāo)志碼：B

0 引言

電動機械挖掘機簡稱電鏟，是露天礦山開采系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，其履帶式行走裝置性能對整機可靠性有重要影響，履帶與支重輪、地面之間的復(fù)雜力學(xué)關(guān)系是設(shè)計計算的難點。車輛與地面之間的力學(xué)建模方法有純經(jīng)驗法、半經(jīng)驗法、基本理論研究法、模型試驗法和計算機模擬法等，其中：半經(jīng)驗法是一種相對簡單可靠的建模方法，基本理論研究法和模型試驗法的適應(yīng)性受具體工況限制，計算機模擬法隨著計算機硬件配置的提升而迅速發(fā)展。與其他半經(jīng)驗計算方法相比，Bekker公式適用性強、計算可靠，特別是在低速載荷工況下適用性更好。王紅巖等的試驗數(shù)據(jù)表明，由于履帶與地面之間存在滑動，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎半徑較小時，牽引力或制動力較大。LYASKOL的試驗數(shù)據(jù)表明，履帶陷人深度隨滑轉(zhuǎn)率增大而增大。

目前，大型商業(yè)動力學(xué)模擬軟件Adams和RecurDyn都使用半經(jīng)驗法中Bekker的載荷一下陷公式計算車輪或履帶與地面的相互作用力;Adams軟件中的ATV模塊可以較準(zhǔn)確地計算行駛阻力、履帶張緊力等參數(shù)。在沼澤、山區(qū)等復(fù)雜路面高速行駛的履帶車輛模擬通常采用用戶自研計算機程序計算，通用商業(yè)軟件模塊無法滿足需求。在坦克或輕型履帶式移動設(shè)備方面，業(yè)內(nèi)已有學(xué)者和專家使用商業(yè)動力學(xué)軟件進行簡單工況下的動力學(xué)研究，但在重型履帶式工程機械方面尚缺乏分析案例。

電鏟重型履帶系統(tǒng)示意見圖1。支重輪和滑靴數(shù)量較多，各零部件之間以及零部件與地面之間的作用力較大，接觸的非線性問題求解難度較大。本文以某型號22m³斗容電鏟為例，使用Adams ATV模塊進行多工況下的動態(tài)仿真，并將仿真結(jié)果與Bekker公式等理論計算結(jié)果對比，驗證模型的正確性并進行后續(xù)仿真分析。

1 履帶車輛與地面的力學(xué)理論

1.1車輛直線行走驅(qū)動力矩計算

車輛直線行駛阻力包括履帶系統(tǒng)內(nèi)部摩擦阻力、地面壓實阻力、坡道阻力、風(fēng)阻力和加速慣性阻力等。低速重型履帶系統(tǒng)中風(fēng)阻力和加速慣性阻力占比很小，可以忽略。

考慮支重輪與支重輪軸滑動摩擦、支重輪與履帶板側(cè)面滑動摩擦，每個支重輪相關(guān)的內(nèi)部摩擦阻力可表示為

式中：C_i為支重輪i（包括前導(dǎo)輪）上的載荷，N;d_bi為支重輪軸i的直徑，m;d_ri為支重輪的直徑，m;u_r為支重輪和支重輪軸之間的摩擦系數(shù)。設(shè)F_f為每條履帶直線行駛時內(nèi)部摩擦點阻力，則

驅(qū)動輪軸與驅(qū)動輪為花鍵連接，驅(qū)動輪軸兩端裝有滾動軸承，忽略滾動軸承摩擦阻力，則履帶平均接地比壓為

單條履帶直線運行總阻力為

Fd=F_f+F_p+F_s+F_w+F_i（8）

單條履帶驅(qū)動力矩為

T_d=F_dr_p（9）

式中：r_P為驅(qū)動輪的節(jié)圓半徑。

1.2 車輛平地轉(zhuǎn)彎驅(qū)動力矩計算

不考慮履帶下陷引起的側(cè)面推土阻力，計算雙履帶行走裝置的轉(zhuǎn)彎驅(qū)動力矩。為不失一般性，以左轉(zhuǎn)彎為例，轉(zhuǎn)彎時履帶與地面的作用力示意見圖2。F_qL和F_qR為與摩擦力矩相當(dāng)?shù)闹本€運行阻力的反方向力，即驅(qū)動力;F_dL和F_dR為直線運行阻力;M_fL和M_fR為履帶與地面之間摩擦力矩。

不考慮履帶回轉(zhuǎn)中心偏離其與地面接觸面的形心，左、右履帶的回轉(zhuǎn)阻力力矩為

2 Adams ATV動態(tài)仿真

在Adams ATV模塊中建立電鏟履帶系統(tǒng)模型，見圖3。履帶系統(tǒng)模型左右對稱，左、右兩側(cè)均包括前導(dǎo)輪、支重輪、驅(qū)動輪、驅(qū)動軸、滑靴和履帶板，其他部分作為整體機架三維幾何實體導(dǎo)人。檢查每個構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，確保與實際值一致。履帶由Adams ATV模塊生成，圖3中的箭頭所指履帶板編號為1，其余履帶板編號沿順時針方向依次加1。

2.1 軟地面動態(tài)仿真

在露天礦山開采中，電鏟一般在重黏土地面上作業(yè)，履帶會陷入地面一定深度，因此建模過程中將地面視為柔體，將履帶系統(tǒng)視為剛體。重黏土地面特性參數(shù)設(shè)置見表1。

在平地直線行駛工況中，電鏟的最大車速為1.25km/h，設(shè)置驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速為27.65（°）/s。編號11的履帶板陷入地面深度和接地比壓隨時間變化曲線見圖4。

0-4s為系統(tǒng)自平衡過程，5-8s為加速過程，之后勻速運行。在1-11s，11號履帶板陷入地面平均深度為65mm，平均接地比壓為309.3kPa;在67-73s，11號履帶板陷入地面平均深度為38mm，平均接地比壓為300.9kPa?；陟o力學(xué)計算得到陷入地面平均深度的理論值為67mm，平均接地比壓為329.3kPa。勻速運行過程中履帶板陷入地面平均深度和平均接地比壓均比電鏟靜止時有所降低。

平地直線行駛時前導(dǎo)輪和支重輪受力曲線見圖5。前導(dǎo)輪受力較小，各支重輪受力差異不太明顯，支重輪9受力最大，最大值為722kN。

在直線爬坡工況中，電鏟的最大車速為0.50km/h，設(shè)置驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速為11.06（°）/S，爬坡工況示意見圖6，電鏟從平地直線運行上坡。

履帶系統(tǒng)驅(qū)動力矩計算結(jié)果見圖7。仿真值波動較大，原因是電鏟重型履帶節(jié)距較大（強度要求所需），驅(qū)動輪齒數(shù)僅為8，運轉(zhuǎn)過程中存在不均勻性。仿真結(jié)果的最小二乘擬合值與理論值基本一致，理論值稍微高估驅(qū)動力矩，主要原因是運轉(zhuǎn)過程中履帶板平均陷入地面深度比電鏟靜止時有所降低。爬坡工況下前導(dǎo)輪和支重輪受力曲線見圖8。不難發(fā)現(xiàn)，支重輪9受力較大，最大值為2123kN，占整機總重力的27.6%，因此支重輪9的設(shè)計直徑明顯大于其他8個支重輪直徑，以應(yīng)對受力較大的工況。在平地單側(cè)左轉(zhuǎn)彎工況中，電鏟右側(cè)車速為1.00km/h，設(shè)置右驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速為22.12（°）/s，左履帶制動。驅(qū)動力矩與轉(zhuǎn)過角度關(guān)系曲線見圖9，轉(zhuǎn)過角度2.5°之內(nèi)為加速過程，之后左側(cè)平均制動力矩為421.7kN·m，理論計算值為532.4kN·m，理論值與仿真值相對誤差為26.2%;右側(cè)平均驅(qū)動力矩為549.4kN·m，理論計算值為629.7kN·m，理論值與仿真值相對誤差為14.6%，可見理論計算會高估驅(qū)動力矩。

在平地雙側(cè)原地左轉(zhuǎn)彎工況中，電鏟的右側(cè)車速為1.00km/h，左側(cè)車速為-1.00km/h。驅(qū)動力矩與轉(zhuǎn)過角度關(guān)系曲線見圖10。0-5°為加速過程，之后，左側(cè)平均驅(qū)動力矩為797.1kN·m，右側(cè)平均驅(qū)動力矩為522.7kN·m，兩側(cè)平均值為660.OkN·m，理論計算值為676.7kN·m，理論值與仿真值的相對誤差為2.5%;該機型在持續(xù)使用中的行走驅(qū)動力矩實際值（額定值）為668.0kN·m（傳動系統(tǒng)效率來自臺架試驗數(shù)據(jù)），三者基本一致。左、右側(cè)驅(qū)動力矩仿真值差異的原因是整機重心不在左右對稱面上，而理論計算值按整機左右對稱計算。與平地單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況相比，雙側(cè)原地轉(zhuǎn)彎所需驅(qū)動力矩更大，表明驅(qū)動力矩與轉(zhuǎn)彎半徑成反比。平地雙側(cè)原地轉(zhuǎn)彎所需驅(qū)動力矩與12.5°爬坡所需驅(qū)動力矩接近，在方案設(shè)計時可以考慮該機型最大爬坡角度設(shè)計值為12°左右（礦山規(guī)劃中電鏟爬坡角度通常在9°-13°區(qū)間）。

在平地越障工況中，設(shè)置地面隆起見圖3，隆起高度為250mm，與履帶板高度接近;車速為0.50km/h。支重輪2通過后軟地面隆起部分被壓潰（見圖11），軟地面越障時前導(dǎo)輪和支重輪受力曲線見圖12，支重輪9受力較大，最大值為1852kN。

2.2 硬地面動態(tài)仿真

當(dāng)電鏟越過石頭等障礙物時，支重輪受力較大，因此分析這類惡劣工況下各支重輪和前導(dǎo)輪受力。設(shè)障礙物高度為250mm，地面與履帶接觸剛度為100000N/mⁿ，n為力指數(shù)，取n=2，阻尼為2000N·s/m，車速為0.50km/h。硬地面越障時前導(dǎo)輪和支重輪受力曲線見圖13。支重輪在障礙物正上方時受力較大，其中支重輪6受力最大，最大值為3216kN，占整機總重力的41.8%。

3 結(jié)論

使用Adams ATV模塊可較準(zhǔn)確地計算電鏟履帶系統(tǒng)在軟地面爬坡、轉(zhuǎn)彎和越障等工況下的驅(qū)動力矩和支重輪受力。在勻速行駛過程中，履帶陷入地面平均深度和平均接地比壓均比電鏟靜止時有所降低，驅(qū)動力矩的理論計算結(jié)果偏于保守;爬坡工況下驅(qū)動力矩仿真結(jié)果與理論值基本一致;轉(zhuǎn)彎工況下驅(qū)動力矩理論值與仿真結(jié)果的相對誤差在2.5%-26.2%區(qū)間。平地雙側(cè)原地轉(zhuǎn)彎為行走驅(qū)動力矩需求最大的工況，結(jié)合整機穩(wěn)定性工況可以確定最大爬坡角度（本文計算機型合理值為12°左右），行走驅(qū)動力矩仿真平均值為660.0kN·m，理論計算值為676.7kN·m，機型配置的實際值（額定值）為668kN·m，三者基本一致。軟地面越障時容易將地面隆起部分壓潰，硬地面越障時支重輪6受力最大，其值為3216kN，占整機總重力的41.8%，在實際操作中應(yīng)盡可能避免。

在新機型投入使用后，建議采集驅(qū)動電機實際輸出參數(shù)、爬坡角度和轉(zhuǎn)彎半徑等數(shù)據(jù)，適當(dāng)轉(zhuǎn)換后與計算值對比，可以改進計算模型，進一步提高動力系統(tǒng)效率。仿真結(jié)果證實理論計算值可以作為方案設(shè)計的參考，可解決理論計算難以求解重型履帶系統(tǒng)超靜定問題和比較復(fù)雜的地面力學(xué)問題的難點，為動力配置和和后續(xù)強度設(shè)計提供依據(jù)。本文方法也可用于其他重型履帶系統(tǒng)產(chǎn)品分析。