履帶式采裝機(jī)行走裝置承重輪仿真研究*

劉 濤

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

工程機(jī)械在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中占有重要的地位，在礦山、建筑、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域都可以看到各種工程機(jī)械的身影。 它具有接地比壓低，能夠在惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)[1]。 采裝機(jī)承重輪是行走裝置的一部分，當(dāng)承重輪發(fā)生疲勞損傷或破環(huán)時(shí)，將會(huì)使整臺(tái)設(shè)備無(wú)法正常工作，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，造成經(jīng)濟(jì)損失，所以對(duì)行走裝置承重輪的研究十分重要。 隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多樣性需求持續(xù)提高，為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，虛擬樣機(jī)技術(shù)因此誕生[2]。 動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS 憑借其強(qiáng)大的分析功能與方便的操作被用戶所稱贊[3]。 筆者以ZWY-180 采裝機(jī)為對(duì)象，針對(duì)其在爬坡工況下行走裝置承重輪的受載特性，使用ADAMS/View 對(duì)采裝機(jī)履帶行走裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究。 研究結(jié)果數(shù)據(jù)可為采裝機(jī)承重輪的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)及參考價(jià)值。

1 履帶行走裝置結(jié)構(gòu)介紹

履帶式采裝機(jī)又被稱為挖掘式裝載機(jī)，因其適用于地形復(fù)雜的路況，集物料采集與運(yùn)輸兩個(gè)功能為一體，所以能實(shí)現(xiàn)物料的高效性與安全性轉(zhuǎn)移。 其行走裝置包含驅(qū)動(dòng)輪、承重輪、導(dǎo)向輪和托鏈輪等；其工作原理是發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力，通過(guò)液壓泵傳遞給行走馬達(dá)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪與履帶嚙合。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于行駛的內(nèi)外阻力和摩擦力之和，履帶裝置就會(huì)向前移動(dòng)[4]。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 行走裝置具體結(jié)構(gòu)

2 三維模型的建立

采用SolidWorks 對(duì)采裝機(jī)進(jìn)行三維建模，經(jīng)簡(jiǎn)化后導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS 中，設(shè)置好路面模型參數(shù)，然后施加約束及接觸，保證構(gòu)件間的力學(xué)關(guān)系，添加爬坡工況下的驅(qū)動(dòng)函數(shù)[5]，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。至此，三維模型建立完畢。

圖2 所示為履帶式采裝機(jī)模型。 該機(jī)實(shí)際質(zhì)量是18 000 kg， 經(jīng)各零部件賦予材料后質(zhì)量為17 986 kg，雙履帶結(jié)構(gòu)，單邊履帶內(nèi)部采用7 個(gè)承重輪，2 個(gè)托鏈輪，1 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，1 個(gè)導(dǎo)向輪，履帶板共有96 個(gè)，履帶間間隔距離為2 150 mm，履帶接地長(zhǎng)度為3 035 mm。

圖2 履帶式采裝機(jī)三維模型

2.1 采裝機(jī)模型簡(jiǎn)化

在SolidWorks 軟件中建模之后，需要對(duì)模型簡(jiǎn)化，否則零件太多，在接下來(lái)的ADAMS 分析中，會(huì)出現(xiàn)分析速度慢，效率低或者無(wú)法正常運(yùn)行。 簡(jiǎn)化原則應(yīng)滿足以下三點(diǎn)。

(1) 模型中對(duì)仿真結(jié)果不影響或影響極低的零件以及復(fù)雜的特征，一律刪除簡(jiǎn)化。

(2) 盡量把繁瑣固定在一起的零件通過(guò)處理簡(jiǎn)化成一個(gè)零件，減少零件數(shù)量，加快仿真速度。

(3) 要正確表達(dá)出運(yùn)動(dòng)副之間的關(guān)系，做到接近實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。

2.2 施加約束

模型經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，導(dǎo)入到ADAMS/View，然后施加約束，以保證和實(shí)際情況靠近，施加約束時(shí)要注意數(shù)量合理，不要出現(xiàn)約束過(guò)多的情況，否則會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果不準(zhǔn)，嚴(yán)重時(shí)仿真會(huì)無(wú)法執(zhí)行[6]。 具體約束如表1 所列。

表1 仿真模型各部件對(duì)應(yīng)約束統(tǒng)計(jì)

2.3 承重輪

采裝機(jī)行走裝置單側(cè)安裝有7 個(gè)承重輪，結(jié)構(gòu)均為單輪緣承重輪，從左至右分別為1 ～7 號(hào)，承重輪的材質(zhì)為ZG42CrMo，經(jīng)熱處理后，調(diào)質(zhì)后輪轂硬度HB＝229-269，承重輪、導(dǎo)向輪和驅(qū)動(dòng)輪組成輪系，一起支撐上部履帶，防止履帶出現(xiàn)脫軌和下垂，并承擔(dān)車身重量。 承重輪模型如圖3 所示。

圖3 承重輪模型

3 爬坡性能仿真

采裝機(jī)最大爬坡角度反映其爬坡性能，所以對(duì)采裝機(jī)設(shè)置多組爬坡角度進(jìn)行爬坡仿真實(shí)驗(yàn)，最后得出的極限爬坡角度更為準(zhǔn)確。 路面類型設(shè)置為硬路面，最大爬坡角度得出依據(jù)為:當(dāng)輸送板前端距離仿真地面最近時(shí)開始爬坡，然后當(dāng)輸送板后端離地面最近時(shí)停止，此時(shí)，爬坡坡面的角度為采裝機(jī)極限爬坡角度。 爬坡仿真如圖4 所示。 爬坡仿真角度如表2 所列。

圖4 爬坡仿真截圖

表2 爬坡仿真角度數(shù)據(jù)

當(dāng)爬坡角度為18.3°時(shí)，輸送板后端碰觸到地面。因此，采裝機(jī)仿真模型在爬坡時(shí)的極限角度為18.3°。

上文在仿真模型中完成爬坡性能仿真，得出爬坡的最大角度。 若想知道仿真模型參數(shù)以及各構(gòu)件尺寸是否合理，與實(shí)際工況下是否接近，此時(shí)就需要進(jìn)行物理樣機(jī)測(cè)試，測(cè)出爬坡最大角度來(lái)對(duì)比驗(yàn)證，從而間接證明仿真模型邊界條件的準(zhǔn)確性。

根據(jù)仿真得出爬坡的最大角度，試驗(yàn)將選取坡角為18°的坡面進(jìn)行爬坡并測(cè)試，斜坡地面主要由不均勻石塊與硬質(zhì)的土組成，開始試驗(yàn)。 具體步驟如下。

(1) 采裝機(jī)位于坡面起始位置6 m 左右，調(diào)整好輸送板的位置，為爬坡作準(zhǔn)備。

(2) 采裝機(jī)爬坡行駛過(guò)程中，以最大速度移動(dòng)，當(dāng)坡面與采裝機(jī)輸送版前側(cè)距離較近時(shí)，停止前進(jìn)，用卷尺測(cè)量輸送板與斜坡的距離。 然后繼續(xù)爬坡，直到輸送后端距離路面最近時(shí)停止，測(cè)出后端距離地面的間距。

(3) 爬坡到最頂端后，調(diào)頭下坡，至此，樣機(jī)爬坡試驗(yàn)結(jié)束。

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5 所示。 測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表3 所列。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)

由表3 可知，當(dāng)采裝機(jī)爬坡的角度在18°時(shí)，輸送板前后端距離斜坡與地面都相當(dāng)接近，若試驗(yàn)坡面角度大于18°，就會(huì)導(dǎo)致輸送板前后端碰觸到地面，損傷輸送板。 所以可得出采裝機(jī)在實(shí)際爬坡工況下的最大角度為18°。

將爬坡仿真與樣機(jī)測(cè)試結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證得出:兩者得出爬坡最大角度較接近，從而驗(yàn)證仿真模型邊界條件設(shè)置的合理性。 也為后文研究分析承重輪在爬坡工況下的受載特性作準(zhǔn)備，也使得承重輪的受載數(shù)據(jù)更具說(shuō)服性。

4 爬坡動(dòng)力學(xué)仿真

路面類分為軟硬兩種，文中選擇硬路面進(jìn)行爬坡仿真，以研究分析承重輪在爬坡工況下的受載特性，爬坡角度選擇15°，建立好路面類型，施加好約束接觸，質(zhì)量質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都與樣機(jī)盡量保持一致，添加仿真驅(qū)動(dòng)函數(shù)行走裝置驅(qū)動(dòng)函數(shù)為:Step(time，0.5，0，1，-1)，函數(shù)表示的含義:采裝機(jī)0.5～1 s 為加速時(shí)間段，此時(shí)存在慣性阻力，最終行駛速度為1 m/s。仿真路面全過(guò)程包含上坡和由坡面轉(zhuǎn)平兩種路面，仿真時(shí)間選擇70 s，如圖6 所示。

圖6 斜坡仿真過(guò)程

爬坡仿真中左側(cè)履帶各承重輪隨時(shí)間受載變化情況如圖7 所示。

圖7 爬硬坡時(shí)各個(gè)承重輪的受載情況

根據(jù)7 個(gè)承重輪的受載曲線進(jìn)行分析，仿真剛開始時(shí)，7 個(gè)承重輪都受到巨大的載荷沖擊，受載曲線都有所波動(dòng)，經(jīng)過(guò)3 ～7s 處于穩(wěn)定狀態(tài)，7 ～16 s 時(shí)間段1～6 號(hào)承重輪曲線比較平穩(wěn)，輕微浮動(dòng)。 原因是仿真開始時(shí)1～6 號(hào)承重輪幾乎不受載，處于懸空狀態(tài)，此時(shí)受載的主要為驅(qū)動(dòng)輪以及導(dǎo)向輪。 但在此時(shí)間區(qū)間內(nèi)，7 號(hào)承重輪受載曲線呈現(xiàn)巨大變化，觀察圖表可以看出7 號(hào)承重輪在整個(gè)爬坡仿真中，此時(shí)波動(dòng)最大，最大值達(dá)到70 kN。

在16～47 s 時(shí)間段內(nèi)，采裝機(jī)正常爬坡，與地面完全接觸，7 個(gè)承重輪受載均勻，無(wú)劇烈浮動(dòng)，輪子從前至后，受載呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，47 ～53 s 區(qū)間內(nèi)所有輪子受載曲線又出現(xiàn)較大浮動(dòng)，分析可知，此時(shí)應(yīng)為采裝機(jī)越過(guò)坡面最高點(diǎn)時(shí)的過(guò)程，對(duì)比所有承重輪曲線圖4 號(hào)輪在這個(gè)區(qū)間浮動(dòng)最大，最大值為90 kN。受載最大的原因是采裝機(jī)爬到最高點(diǎn)然后下落的瞬間會(huì)有較大的載荷。 此區(qū)間內(nèi)1、5、6 三輪也有受載，最大值為72、78、62 kN。 但2、3 兩輪受載較小，最大值為33、27 kN。 53 s 后采裝機(jī)各承重輪受載恢復(fù)穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

以ZWY-180 型履帶式采裝機(jī)為研究對(duì)象， 結(jié)合采裝機(jī)工作特性，對(duì)其進(jìn)行爬坡性能測(cè)試，得出爬坡極限角度并與樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試作對(duì)比驗(yàn)證，然后運(yùn)用ADAMS 對(duì)采裝機(jī)行走裝置承重輪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到以下結(jié)果。

(1) 爬坡極限角度與樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)出的極限角度相吻合，證明仿真模型邊界條件設(shè)置的合理性，為下一步對(duì)采裝機(jī)承重輪動(dòng)力學(xué)仿真分析作鋪墊。

(2) 爬坡仿真整個(gè)過(guò)程中，4 號(hào)承重輪受載最大，極值為90 kN，1、5、6 三輪受載相對(duì)較大，2、3 兩輪受載較小，其中3 號(hào)輪受載最小，極值為27 kN。基于此數(shù)據(jù)建議采裝機(jī)使用1 ～2 年內(nèi)需對(duì)受載較大與較小的承重輪進(jìn)行調(diào)換順序使用，也可對(duì)受載較大的承重輪更換材料或優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以延長(zhǎng)各承重輪的使用壽命。