高速履带车辆轮履脱离机理分析与仿真研究_蔡文斌.pdf

收稿日期:20210406修回日期:20210412第 40 卷第 2 期计算机仿真2023 年 2 月文章编号:10069348(2023)02013909高速履带车辆轮履脱离机理分析与仿真研究蔡文斌1，刘洋2，赵韬硕1，陈兵2(1 中国北方车辆研究所，北京 100072;2 北京科技大学机械工程学院，北京 100083)摘要:高速履带车辆履带脱轮问题是一项非常复杂的工程技术问题。为降低履带车辆在行驶过程中履带脱轮发生概率，以力学理论为基础，分析了履带脱轮时诱导齿与负重轮的相互作用关系，并以 ADAMS 软件为仿真平台建立了可测试履带从负重轮脱出难易程度的多体动力学模型。模型充分考虑履带、诱导齿及负重轮设计参数，利用正交试验设计方法开展履带刚度特性、诱导齿及负重轮设计参数对履带脱轮影响的仿真研究，仿真结果表明，不同的设计参数对履带脱轮影响的灵敏度不同。将试验数据进行神经网络拟合，对拟合后的表达式进行 GA 算法寻优，找到防止履带脱轮的因素最优值，使履带系统的运行稳定性得到了显著提高。关键词:履带车辆;刚度;履带脱轮;正交试验中图分类号:TP391.9文献标识码:BMechanism Analysis and Simulation of WheelTrackDisconnection of HighSpeed Tracked VehiclesCAI Wenbin1，LIUYang2，ZHAO Taoshuo1，CHEN Bing2(1 China North Vehicle esearch Institute，Beijing 100072，China;2 School of Mechanical Engineering，University of Science Technology Beijing，Beijing 100083，China)ABSTACT:The track offwheel problem of highspeed tracked vehicle is a very complicated engineering and tech-nical problem In order to reduce the probability of track offwheel，based on the mechanics theory，the interactionbetween the induction teeth and the road wheel during track offwheel was analyzed，and a multibody dynamicsmodel was established to test the difficulty of track disengagement from the road wheel using ADAMS software as thesimulation platform The model fully considered the design parameters of track and road wheel，and used the orthogo-nal experimental design method to carry out the simulation research on the influence of track stiffness characteristics，induced teeth and load wheel design parameters on the track off wheel The simulation results show that the sensitivityof different design parameters on the track off wheel is very different The experimental data were are fitted by neuralnetwork，and the expression after fitting was is optimized by GA algorithm to find the optimal value of factors preven-ting the track from running off the wheel，which significantly improved improves the running stability of the track sys-temKEYWODS:Tracked vehicle;Stiffness;Track off wheels;Orthogonal experiment1引言高速履带车辆区别与轮式车辆的最显著特点之一，是利用履带行驶系统来完成自铺路面的行走，使得履带车辆的野外行驶能力，越障能力和机动性能都得到了保证。随着现代履带车辆对机动性要求不断提高，车辆在斜坡行驶、软地急转弯等恶劣工况行驶过程中履带脱轮现象时有发生，履带发生脱轮不但使车辆丧失机动性，陷入“瘫痪”状态，而且直接影响了车辆的行驶通过性和作战任务等。因此有必要围绕履带车辆的履带脱轮问题进行相关研究，分析履带刚度特性、诱导齿及负重轮设计参数对履带脱轮影响的灵敏性，并优化相关设计变量来提高履带系统的运行稳定性。近年来，国内很多学者对高速履带车的研究工作主要集中在高速车辆悬挂系统动力学特性和履带行动装置的研究931上，并得到了一定的研究成果。例如:云忠等人基于多体动力学理论建立了履带车悬挂系统半车振动力学模型和动力学方程，并用 ecurDyn 仿真验证了高速履带车翻越垂直壁障时悬挂系统参数对其乘坐舒适性和稳定性的影响1。卞美慧等人提出了两种负重轮载荷分配的方案，并对两种负重轮载荷分配方案下车辆的平顺性进行了仿真分析2。马星国等人以某履带车辆悬挂系统为例，利用动力学软件ecurDyn 建立单轮动力学模型，并基于车辆动力学与冲击碰撞原理，研究油气弹簧与液压缓冲器对悬挂系统性能影响及车体行驶过程中悬挂系统缓冲、吸振性能3，刘冰铁等人基于 ANSYS Workbench 平台，在三种典型工况下，对三种轮盘结构形式的负重轮的应力分布情况进行了计算，得到了在相应工况下应力的最大值4。上述研究并非针对履带脱轮问题展开的研究的工作，但对本文具有一定的指导作用。查阅国内外近 20 年高速履带车辆履带脱轮机理研究的公开文献，受技术保密或问题过于复杂等因素影响，很难发现与高速履带车辆脱轮机理研究紧密相关的文献，仅发现少数学者围绕脱轮现象开展了部分研究工作。例如:钱尧一等为解决三角履带脱轮问题，使用多体动力学软件 ecurDyn建立了三角履带车辆的模型，研究了其诱导轮张紧装置的预紧力参数变化对履带张紧力和前端垂向位移的影响规律5;朱艳芳等运用 ADAMS 软件建立了履带车辆行走系统虚拟样机模型，并对其高速行驶工况的“脱轮”问题进行仿真分析6;张燕等使用 ecurDyn 软件对履带及负重轮的位移变化进行研究，分析了履带脱轮的原因7;张涛考虑了履带车辆主要结特征构，建立了针对其高速行驶中脱轮问题的行走系统动力学模型8;韩寿松通过 ecurDyn 和 AMESim 软件构建了履带车辆整车动力学、路面和油气悬架液压系统模型，分析了油气悬架履带车辆蓄压初始充气压力等参数对履带车辆脱轮故障的影响规律9。本文在上述研究的基础上将履带考虑成柔性体，对履带的刚度值进行了有限元仿真分析。并以 ADAMS 软件为仿真平台建立了可测试履带从负重轮脱出难易程度的虚拟样机，利用正交试验的方法开展了对履带扭转刚度、拉伸刚度、侧向刚度和诱导齿及负重轮设计变量对履带脱轮影响的仿真研究;最后使用神经网络对仿真结果进行拟合，并对拟合表达式进行 GA 算法寻优，得到了防止履带脱轮主要影响因素的参数最优值，以提高履带的运行稳定性。2高速履带车辆“履轮脱离”机理分析从履带车辆易脱轮的现象出发，具体考虑高速履带车辆行驶工况，可得知履带脱轮的本质是行走系统中转动的各轮与履带的相互位置发生倾斜后，继续行走履带将会从行走系统轮上脱下的现象。当履带的纵向轴线与负重轮的滚动平面不平行时，滚动的负重轮与履带诱导齿发生接触继而导致履带脱轮。假设负重轮与诱导齿接触于一点 a，如图 1 所示。选取坐标轴的方向使作用在负重轮上的三个相互垂直图 1负重轮与诱导齿的接触的力 Q，P，及 F 的方向平行。Q，P 分别表示平衡肘作用于负重轮上的力，F 表示车辆在不同工况下负重轮所受的横向力。根据文献 10可知，将坐标轴的原点设在接触点 a，则QP 平面与负重轮的滚动平面平行。过 a 点引一与诱导齿断面相切的平面(平面 t)。此平面的位置决定于平面 t 及 PF交线的角度，及通过点 a 的法线的角度。其在 a 点的受力关系如下图 2 所示。图 2在接触点作用于负重轮上的力图 3、及 之间的关系在负重轮的 a 点上，作用有以下各力:Q，F，及 P。因为负重轮在滚动，而平面 t 是固定的，所以在 a 点发生滑动摩擦。摩擦力 Fr应该同时在两个平面内:即在负重轮的滚动平面 QP 及在与诱导齿断面相切的平面 t 内。此时，摩擦力Fr在两平面的交线 ab 上，以 表示直线 ab 与轴线 Q 的倾角，则摩擦力可以表示为041Fr=N(1)式中，为滑动系数;N 为导向齿对负重轮的法向反作用力。Fr和 N 力的和形成导向齿作用于负重轮上的 a 点的反作用力。因此在负重轮上有与 Fr和 N 相平衡的力 F、Q 及 P 的作用。由图 2 可写出点 a 的平衡条件如下P=Ncos sin Tsin(2)Q=Nsin+Tcos=N(sin+cos)(3)F=Ncos cos(4)联立方程(2)、(3)、(4)可得FQ=cos cos sin+cos(5)以 及 角来表示 角，三者关系如下图 3 所示，则可写出h=acos(6)h=bcot(7)b=csin(8)a2=c2+h2(9)在此基础上，可以推得cos=11+(tan sin)2(10)将其带入式(5)中，得到FQ=cos cos sin+1+(tan sin)2(11)由上式，可推得履带不脱轮的条件为FQcos cos sin+1+(tan sin)2(12)由式(12)可知，摩擦系数 越大，则履带发生脱轮所需要的横向力越小，即履带发生脱轮的概率越大。因此，如果金属诱导齿与负重轮的橡胶轮缘接触时，其发生履带脱轮的机会比两个摩擦表面均为金属的机会要大。这为研究防止履带脱轮措施提供了一定的理论依。及 角对履带脱轮也具有一定的影响:角愈大，即切面 t 的倾斜越大，履带发生脱轮的概率也越大。为负重轮与诱导齿的相遇角，该角度越大，履带发生脱轮的概率也越大。3履带刚度特性的有限元仿真分析履带销上硫化有橡胶衬套，故相邻两块履带板间的相互作用为柔性连接，可将这种柔性连接等效为弹簧阻尼系统。该柔性连接模型使履带具有一定的刚度特性而非纯刚体结构。当履带受到不同的工况载荷时，就会发生相应的变形，其变形过程及柔性连接模型如图 46 所示。履带的刚度特性对履带脱轮产生重要影响，为了分析履带刚度对履带脱轮的灵敏性，需要将一段履带模型分别在有限元软件中建立拉伸，横推，扭转三种工况，得到相应的仿真曲线，最后拟合出履带在此三个方向的刚度值。图 4履带扭转工况载荷下的模型图 5履带横推转工况载荷下的模型图 6履带拉伸工况载荷下的模型3.1履带有限元模型的建立为了在 ABAQUS 中来模拟计算履带三个方向刚度值，需要在履带销上硫化有多个天然橡胶衬套，采用 tie 连接来模拟履带板和橡胶衬套之间的过盈连接。为节省计算机时，对模型进行如下处理:履带板端连器及诱导齿变形较小，网格划分可以较粗大，而对履带销及橡胶衬套处网格进行细化，忽略几个不重要的圆角倒角特征11。履带模型如图 7 所示，橡胶模型采用二阶 Odgen 模型，近似不可压缩模型，主要参数如表 1 所示。图 7履带及橡胶部分模