掘式裝載機動力學分析

史偉

摘要：挖掘式裝載機在不同的工作狀態(tài)和路面條件下，各個主要部件的質(zhì)心位置、受力等狀態(tài)都會不同。挖掘式裝載機的工作環(huán)境較為惡劣復雜，在該環(huán)境下一般會出現(xiàn)臺階、溝壑等路面情況。所以根據(jù)挖掘式裝載機仿真的技術(shù)要求，結(jié)合在實際工作中存在的工況，對幾種工況進行仿真分析。具體內(nèi)容包括挖掘式裝載機的臺階、溝壑以及擺臂等動力學仿真。

關(guān)鍵詞：臺階;溝道;動力學仿真

中圖分類號：TB771? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0034-02

1? 仿真的技術(shù)要求

運動學分析：利用仿真軟件，從運動學的角度，在固定履帶式裝載機越障機理的基礎(chǔ)上，分析該采裝機對臺階、溝道等典型障礙的越障運動機理，分析最佳越障性能及對應的質(zhì)心和擺臂的位置。

動力學分析：利用動力學仿真軟件，建立動力學模型，設置采裝機各關(guān)節(jié)的運動關(guān)系，然后在相應部位添加驅(qū)動力，以保證模型的可靠運動;對典型障礙如臺階、溝道等進行越障運動仿真。

穩(wěn)定性分析：利用動力學仿真軟件對采裝機的越障機理與越障能力進行分析，對采裝機的越障運動進行仿真，對擺臂系統(tǒng)收起時的采裝機進行穩(wěn)定性判定，然后對擺臂系統(tǒng)工作時的采裝機進行穩(wěn)定性分析。得出靜態(tài)穩(wěn)定性條件和擺臂系統(tǒng)對采裝機姿態(tài)的影響，分析其運行的穩(wěn)定性和最佳越障性能。

2? 不同工況的仿真與分析

2.1 越溝壑實驗與分析

挖掘式裝載機跨越溝壑的關(guān)鍵因素包括結(jié)構(gòu)、重心等參數(shù)，此外還要確保輸送板不與地面接觸。當其重心位置達到溝壑邊界線，而前引導輪處還未接觸溝壑的另一邊界時，挖掘式裝載機開始傾斜。若此時挖掘式裝載機勻速前進，則下落過程可近似看做成平拋運動。挖掘式裝載機在傾斜的過程中，引導輪下端到達溝壑的另一邊，支撐柱挖掘式裝載機，如果挖掘式裝載機在力作用下可以從傾斜狀態(tài)恢復到水平狀態(tài)，則挖掘式裝載機就能跨越溝壑。挖掘式裝載機越溝壑主要分為三個階段，如圖1所示。

圖1為擺臂伸長時挖掘式裝載機的越溝壑極距離，寬度約為1050mm，行駛速度為0.6m/s。當擺臂收起時，挖掘式裝載機整體的重心會發(fā)生變化，因此越溝壑的極限距離也會產(chǎn)生變化。但是由于擺臂占挖掘式裝載機重量比例非常小，擺臂伸長和收縮時的重心偏差也非常小。導致這兩種情況擺臂重心相對于車體置信的力矩差非常小，因此擺臂的位置對越溝壑的能力影響不大。經(jīng)試驗測得擺臂收縮時，挖掘式裝載機的越溝壑極限距離約為1050mm，和擺臂伸長時的極限越溝壑距離相同，擺臂伸長和收縮時車體直行在垂直方向的振幅如圖2（a）、圖2（b）所示，可以看出這兩種情況下車體振幅幾乎沒有差別，越溝壑結(jié)束后能夠車體保持穩(wěn)定運行。

2.2 越臺階實驗與分析

挖掘式裝載機在實際工作路面經(jīng)常會遇到一些突起物體，將突起障礙物近似為臺階進行仿真，因此攀越臺階的極限高度是挖掘式裝載機越障性能的一個重要參數(shù)。如圖3所示為挖掘式裝載機在攀越臺階過程中的截圖，可以看出輸送板的高度對攀越臺階的能力有很大影響。

在保證輸送板前后不與臺階和地面接觸的前提下，此次仿真的速度為0.6m/s，最大越臺階高度為370mm，土壤沉陷170mm，實際高度200mm。車體質(zhì)心在垂直方向的振幅如圖4所示，可以看出挖掘式裝載機在攀越臺階的過程中車體產(chǎn)生較大的抖動，攀越臺階完成后，挖掘式裝載機很快穩(wěn)定下來，保持穩(wěn)定行駛。

2.3 擺臂系統(tǒng)的實驗與分析

當挖掘式裝載機開始工作時，行走機構(gòu)處于靜止狀態(tài)，X方向位移為0，此時擺臂在工作中不停運動，會對車體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。如圖5所示為擺臂從開始工作到收起的仿真截圖。

車體質(zhì)心在Y方向和Z向的變化分別如圖6、圖7所示，在0-2.5s之間車體因重力作用落到地面上，Y軸垂向質(zhì)心位置產(chǎn)生較大波動、Z向保持不變。之后Y方向質(zhì)心不再變化。2.5-25s內(nèi)包含了擺臂從工作到收起的一系列動作，過程中Z方向產(chǎn)生了非常微小的變化，擺臂動作停止后Z向也穩(wěn)定下來?？梢钥闯鰯[臂的運動對車體質(zhì)心幾乎毫無影響。

3? 總結(jié)

根據(jù)上述實驗現(xiàn)象，可以得出結(jié)論掘式裝載機在越過臺階和溝壑時可以表現(xiàn)出極大的穩(wěn)定性，分析出其運行的穩(wěn)定性和最佳越障性能，為采裝機越障時質(zhì)心位置的控制提供了理論依據(jù)，符合最終實驗預計要求。

參考文獻：

[1]馮忠續(xù).工程機械理論[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]喻凡，林逸主編.汽車系統(tǒng)動力學[M].第一版.機械工業(yè)出版社，2005，9.

[3]劉巧伶.理論力學[M].長春：吉林科學技術(shù)出版社，1998.

[4]劉義.RecurDyn多體動力學仿真基礎(chǔ)應用與提高[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.10.