基于RecurDyn的平架...地型履带推土机转向性能分析_张耀娟.pdf

第 卷 第 期北华大学学报（自然科学版）年 月 （）文章编号：（）：基于 的平架湿地型履带推土机转向性能分析张耀娟，赵立众，董 旷，刘维维（北华大学机械工程学院，吉林 吉林）摘要：为使平架湿地型履带推土机在湿地路面实现更高效转向，分析湿地土壤物理特性对该类车辆转向性能的影响利用 和 软件创建履带推土机三维模型，建立不同含水量湿地路面模型，对模型进行不同载荷下的多体动力学仿真，对比分析履带推土机转向半径、转向极横向偏移量、左侧履带驱动牵引力和右侧履带制动力，得出不同湿地土壤、不同载荷下平架湿地型履带推土机的转向性能参数变化规律关键词：平架湿地型履带推土机；转向性能；多体动力学；仿真中图分类号：；文献标志码：收稿日期：基金项目：吉林省教育厅科学技术研究项目（）作者简介：张耀娟（），女，博士，副教授，主要从事履带车辆性能研究，：，（，）：，：；湿地型履带推土机作为工程机械的关键机种之一，普遍应用于交通运输、矿产开采、农田农业、水利及城乡建设等领域，需求也越来越大转向工况是平架湿地型履带推土机最重要的工况之一，因此，分析转向性能十分重要，其中，转向半径、转向极横向偏移量、驱动牵引力和制动力是转向工况的重要参数随着工作土壤条件和所受载荷不同，其转向性能也不同本研究采用控制变量法，在不同湿地路面、不同载荷下，对平架湿地型履带推土机进行多体动力学仿真，总结转向性能参数变化情况，进一步分析路面含水量、载荷对转向性能的影响，可为超湿地型履带推土机结构设计和转向工况性能分析提供参考 转向性能理论履带路面摩擦因数与履带车辆转向半径间的关系：（），（）式中：为地面与车辆之间的摩擦因数；为摩擦因数最大值；为与土壤力学有关的无因次经验系数，平均值为；为履带转向半径（）；为履带板宽度（）履带车辆转向时总体所受牵引力：，（）式中：为履带与地面之间的摩擦力，即高速侧履带提供的牵引力（）；为嵌入地面时土壤对车辆的反作用力，即低速侧履带提供的制动力（）摩擦力：，（）式中：为车辆的总质量（）湿地型履带车辆转向时制动侧的制动力：|，（）式中：为滚动阻力系数；为履带接地长度（）多体动力学模型 平架湿地型履带推土机建模依据某型履带推土机，应用 软件建立平架湿地型履带推土机车体、工作装置和平衡梁的三维模型，将模型导出 格式履带车辆的行走系统在 的 模块中根据实际情况建立，该系统是由驱动轮、引导轮、托链轮、支重轮和履带组成的“四轮一带”系统将车体、工作装置和平衡梁在 工作环境下导入并与行走系统装配为保证所建立的湿地型履带推土机质心位置与实际情况相符，对三维模型进行简化，简化后的整车模型见图 模型参数设置与约束施加为减少仿真结果的误差，保证简化后的模型与实际履带推土机具有相同的物理参数和性质，需要在 中测量所建三维模型的质心位置、零部件质量和转动惯量等物理参数，然后在 中设置简化模型物理参数以工作装置参数设置为例，实际某型履带推土机工作装置属性设置窗口见图 图 平架湿地型履带推土机简化模型 图 实际某型履带推土机工作装置属性设置窗口 北华大学学报（自然科学版）第 卷 设置模型各部件物理参数后，进行约束施加，以保证模型在仿真过程中能与实际工况相符采用的主要约束有转动副、移动副、固定副、球铰和弹簧，见表 表 零部件施加的主要约束 约束部件 约束部件 约束形式行走系统平横梁橡胶块负重轮行走架转动副引导轮叉头移动副大齿圈轮毂驱动链轮固定副托链轮行走架转动副顶推梁行走架球铰工作装置油缸车体转动副叉头行走架弹簧行走架托底行走架固定副终传动齿轮端盖车体固定副 湿地路面模型 中湿地路面模型根据矩阵单元构建在建立的湿地路面模型自动载入最大沉陷量、最大压力、剪应变和剪应力，计算在不同土壤参数下的正压力或水平摩擦力压力沉陷关系半经验公式：|，式中：为接地压力（）；为内聚的土壤变形模量（）；为内摩擦的土壤变形模量（）；为变形指数；为变形深度（）在法向压力变化范围不大时，土壤的抗剪切强度与法向压力近似为直线关系：式中：为土的抗剪强度（）；为土的内聚力（）；为作用在剪切面上的法向应力（）；为土的内摩擦角（）采用烘干法测定试验样土含水量：，式中：为土壤含水量（）；为湿土壤质量（）；为干土壤质量（）在建立路面模型过程中需确定、和的值其中，、利用三轴剪力仪测定，、和 利用贝氏仪测定由于湿地型履带推土机主要在含水量较高的黏性土壤工作，因此，试验根据实际情况选择较为典型的湿地路面，分别为含水量 的农田、的滩涂、的沼泽查找相关资料得出相关的湿地路面土壤参数，见表 表 湿地路面土壤参数 （）（）（）（）下沉比率 转向性能仿真平架湿地型履带推土机在湿地路面利用左、右侧履带驱动轮的不同转速产生履带速度差，实现车辆转向车辆右转时，左侧履带继续以一档速度前进，右侧履带制动；同理，在左转向时，右侧履带以一档速度前进，左侧履带制动，本文只研究履带车辆左转向 中建立的左、右侧履带行走系统对驱动轮分别施加驱动函数：（：（：（：，），），）（：（：（：，），），）仿真时，平架湿地型履带推土机受到重力作用下降到湿地路面；，直线加速度行驶，达到一档速度；，左侧履带继续以一档速度前进，右侧履带制动，产生左、右履带速度差，实现转向为第 期张耀娟，等：基于 的平架湿地型履带推土机转向性能分析研究空载和满载对转向性能的影响，将铲刀装满土壤时定义为满载，铲刀内无土壤时定义为空载根据实际工作情况，将铲刀装满土壤时所受载荷分解为 轴（推土机行走方向）方向载荷和 轴（重力方向）方向载荷，此时对铲刀施加的载荷函数：轴方向，；轴方向，空载时对铲刀施加的载荷函数：轴方向，；轴方向，转向极横向偏移量平架湿地型履带推土机转向极横向偏移量见图 依据文献提供的仿真结果与数据可知：随着路面含水量的增加，在转向过程中，当转向半径相同时，转向极横向偏移量逐渐增加，表明履带推土机左、右侧履带产生的滑移和滑转率增大，该结论与图 中的转向极横向偏移量变化趋势相同由图 可知：在转向工况下，当所受载荷相同时，随着湿地路面含水量的增加，履带推土机的转向极横向偏移量增加空载条件下，当路面含水量为 时，转向极横向偏移量最大，为 ；满载条件下，当路面含水量为 时，转向极横向偏移量最大，为 履带推土机在含水量为、的路面上转向时，随着载荷的增加，转向极横向偏移量增大，导致转向更加困难含水量较低的路面摩擦因数较大，载荷增加能够加大路面作用在履带板上的摩擦力，从而避免在转向时产生更大滑移；但在含水量大于 的路面转向时，由于路面摩擦因数较小，转向极横向偏移量随载荷的增加而减小，这是因为路面含水量过大，土壤的抗剪切强度下降，导致履带板沉陷量加大，虽然转向极横向偏移量减小了，但车辆转向更加困难由此可知：在含水量为 空载情况下，履带推土机产生的转向极横向偏移量最大，为 图 转向极横向偏移量 转向半径平架湿地型履带推土机空载和满载转向工作时的转向轨迹见图 由式（）可以推断：当路面含水量变大时，转向半径逐渐增大，其变化趋势与图 变化趋势相同对比分析文献数据与仿真结果可知：在含水量相同时，车辆总质量对转向半径的影响较大由图 可知：空载时，转向轨迹曲率随路面含水量的增大而增大，转向半径变大满载时，在含水量为、时，转向轨迹曲率随路面含水量的增大而增大；在含水量大于 时，转向轨迹曲率随路面含水量的增大而减小在含水量为、时，随着载荷的增大，转向半径增大；当路面含水量大于 时，随着所受载荷的增大转向半径减小；在含水量为 的路面满载时，转向半径最大由此可知：路面含水量对履带推土机的转向半径影响较大图 转向轨迹 北华大学学报（自然科学版）第 卷 左侧履带驱动牵引力平架湿地型履带推土机空载和满载转向工作时左侧履带驱动牵引力见图 由式（）、（）可知：路面含水量越大时，越小，也越小，由此推断，路面含水量越大高速侧履带驱动牵引力越小，即左侧履带驱动牵引力越小；载荷越大车辆的总质量越大，越大，因此，在路面含水量相同时，载荷越大其左侧履带驱动牵引力越大由图 可知：履带推土机左侧履带驱动牵引力平均值随路面含水量的增加而减小空载工况下，履带推土机在含水量为 的路面上转向时，左侧履带驱动牵引力的平均值最大，为 ；满载工况下，在含水量为 的路面上转向时所受驱动牵引力的平均值最大，为 在相同含水量的路面上，履带车辆转向时所受的载荷越大，其驱动牵引力也越大由此可知，在含水量 的路面满载工况下，车辆左侧驱动牵引力平均值最大，为 图 左侧履带驱动牵引力 右侧履带制动力平架湿地型履带推土机在空载和满载转向工况时右侧履带制动力见图 由式（）可知：路面含水量越大其滚动阻力系数和摩擦因数越小，当载荷相同时，随着路面含水量的增加，其右侧履带制动力会逐渐下降由图 可知：履带推土机右侧制动力随路面含水量的增加而减小在含水量为 的路面转向时，空载、满载右侧制动力的平均值均为最大，分别为 、；在相同路面含水量条件下，右侧制动力随载荷的增加而减小履带推土机在含水量为 的路面空载工况下，右侧履带制动力平均值最大，为 图 右侧履带制动力 结 论本文利用 软件对平架湿地型履带推土机进行了多体动力学仿真研究，分析其在不同载荷、不同含水量路面的转向极横向偏移量、转向半径、左侧履带驱动牵引力和右侧履带制动力，得出以下结论：）平架湿地型履带推土机在含水量为、的路面转向时，随着载荷的增加，转向极横向偏移量增加；当路面含水量大于 时，转向极横向偏移量随载荷的增加而减小；当载荷相同时，转向极横向偏移量随路面含水量的增加在一定范围内增加，在路面含水量过大时减小由此可见，路面含水量对于湿地型履带推土机转向时的转向极横向偏移量影响较大）当载荷相同，路面含水量为、时，湿地型履带推土机的转向半径随路面含水量的增加而增加；当路面含水量大于 时，转向半径随载荷的增加而减小由此可知：湿地型履带推土机在载荷较小或第 期张耀娟，等：基于 的平架湿地型履带推土机转向性能分析路面含水量较大时转向，转向半径较大，不易实现转向）载荷相同时，左侧履带驱动牵引力和右侧履带制动力随着路面含水量的增加而增大；在相同含水量路面上，左侧履带驱动牵引力随载荷增加而增加，但右侧履带制动力随载荷的增加而减小综上可知，随着路面含水量的增加，路面与履带之间的摩擦因数变小，导致湿地型履带推土机转向困难；当路面含水量为、时，随着载荷的增加，履带与地面之间的摩擦力变大，更容易转向；但当路面含水量大于 后，载荷越大反而转向越困难参考文献：张耀娟，成凯，刘维维湿地推土机终传动系统动力学仿真分析北华大学学报（自然科学版），（）：程军伟，高连华，王红岩，等集中载荷条件下的履带车辆转向分析装甲兵工程学院学报，（）：王刚，杨莺，刘少军虚拟样机技术在工程机械领域的应用工程机械，（）：万加桔，李旸工程机械设计中虚拟样机技术的应用江西建材，（）：，芮强，王红岩，王钦龙，等履带车辆转向性能参数分析与试验研究机械工程学报，（）：，（）：，（）：张耀娟，成凯履带推土机行走系统推土转向工况仿真北华大学学报（自然科学版），（）：张耀娟，成凯，左鹏履带推土机推土转向工况负重轮仿真研究机械设计与制造，（）：张耀娟，成凯，刘小光，等履带车辆终传动与行走系统载荷分配长安大学学报（自然科学版），（）：张耀娟，成凯，周振平，等履带车辆终传动与行走系统过盈接触吉林大学学报（工学版），（）：刘海燕履带行走机构的计算与选型设计采矿技术，（）：关卓怀，沐森林，吴崇友，等履带式联合收获机水田作业转向运动学分析与试验农业工程学报，（）：刘九庆，姚凯履带式森林灭火炮转向性能分析与验证森林工程，（）：成凯，徐晓龙，韩毓文，等履带式湿地系列推土机行走机构的仿真中国工程机械学报，（）：孙术发，高靖萱，王敬凯，等适应湿地作业的履带式运输车设计与研究森林工程，（）：贾鑫，谢铌，丁小兵，等山地履带车辆软坡路面稳态转向模型建立及验证中国农业科技导报，（）：陈冰，王红岩，芮强，等集中载荷高速履带车辆稳态转向模型分析科学技术与工程，（）：李勇，姚宗伟，王国强四履带车辆转向性能仿真研究农业机械学报，（）：，【责任编辑：郭 伟】北华大学学报（自然科学版）第 卷