桂華良，王 濤

（1.紅五環(huán)集團(tuán)股份有限公司，浙江 衢州 324000；2.衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江 衢州 324000）

1 引言

履帶車(chē)輛因其具有良好的通過(guò)性能在工程機(jī)械車(chē)輛中有著廣泛的應(yīng)用。履帶機(jī)構(gòu)一般由主動(dòng)輪、托帶輪、誘導(dǎo)輪和負(fù)重輪組成，通過(guò)履帶構(gòu)成柔性鏈環(huán)，其本身就是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。傳統(tǒng)的研究方法是基于經(jīng)驗(yàn)公式和大量試驗(yàn)研究基礎(chǔ)之上的。電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展使得數(shù)值模擬技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，將數(shù)值模擬技術(shù)用于履帶車(chē)輛的研究能有效縮短研制周期，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量[1]。

目前對(duì)履帶車(chē)輛進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬的軟件主要有DADS、ADAMS和 Recurdyna，其中 DADS和 Recurdyna采用的是相對(duì)坐標(biāo)的遞歸算法，運(yùn)算速度較快，而ADAMS采用的是絕對(duì)坐標(biāo)系，速度稍慢，這些軟件都能很好地完成履帶車(chē)輛的仿真分析。對(duì)履帶建模的模型主要有兩種：一種是柔性履帶模型，該模型建模較方便，能在設(shè)計(jì)早期就對(duì)履帶的平順性做出快速預(yù)測(cè)而得到改進(jìn)的指導(dǎo)數(shù)據(jù)；一種是剛體履帶模型，該模型能對(duì)每塊履帶板、銷(xiāo)的力學(xué)特征進(jìn)行詳細(xì)研究，但該建模方式比較復(fù)雜，需要考慮各零件之間的接觸關(guān)系，建模過(guò)程復(fù)雜，同時(shí)剛性履帶模型的自由度與柔性履帶模型相比計(jì)算量大大增加。本文基于柔性履帶模型對(duì)履帶車(chē)輛進(jìn)行建模和數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)履帶車(chē)輛的平順性分析，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有效數(shù)據(jù)。

2 柔性履帶理論模型

在柔性履帶模型中，其履帶被假設(shè)為一條具有柔性的連續(xù)的帶子，由這條柔性的帶子包裹主動(dòng)輪、托帶輪、誘導(dǎo)輪和負(fù)重輪而構(gòu)成一條履帶鏈，通過(guò)與地面接觸而將地面激勵(lì)傳遞到車(chē)體。

圖1 柔性履帶模型Fig.1 flexible track model

履帶、負(fù)重輪及地面間接觸的相互作用力如圖2，作用在負(fù)重輪上的力計(jì)算公式：

式中σ——地面的法向應(yīng)力

τ——地面的切向應(yīng)力

TL——履帶左張力

TR——履帶右張力

地面法向應(yīng)力計(jì)算公式：

圖2 履帶，負(fù)重輪和地面之間作用力Fig.2 forces between the track,wheel and road

式中p——法向壓力

z——地面變形深度

w——履帶的寬度

n——土壤變形指數(shù)

kc——土壤粘結(jié)系數(shù)

kφ——土壤摩擦系數(shù)

地面的切向應(yīng)力計(jì)算公式：

τmax=C+p tanφ

式中W——剪切變形量

G——剪切模量

C——剪切粘性系數(shù)

φ——摩擦角

根據(jù)受力分析可得

Fn= （TL+TR）sinθ

Fτ=2Rτ（sinθ- θcosθ）

履帶張力TL和TR可以通過(guò)弦垂線方程獲得[2]。

3 履帶車(chē)輛平順性模型

平順性反映了車(chē)輛行駛的安全性。良好的平順性能減少地面動(dòng)載荷對(duì)底盤(pán)及相關(guān)連接件的振動(dòng)，提高零件的疲勞壽命。本文建立某型履帶車(chē)輛的平順性模型如圖3?？紤]車(chē)體質(zhì)量、質(zhì)心位置、負(fù)重輪數(shù)量、質(zhì)量、位置及尺寸、主動(dòng)輪和誘導(dǎo)輪尺寸和位置、履帶結(jié)構(gòu)和性能等，運(yùn)用Bekker提出的地面力學(xué)壓力-沉陷關(guān)系、設(shè)置土壤的剪切特性、土壤的摩擦特性等來(lái)計(jì)算地面施加于車(chē)輛的各種力。

圖3 履帶車(chē)模型Fig.3 tracked vehicle model

4 仿真分析結(jié)果

將上述建立的履帶車(chē)模型行駛通過(guò)一個(gè)高為10cm梯形凸臺(tái)障礙來(lái)研究其通過(guò)平順性，得到其通過(guò)凸臺(tái)前后的車(chē)體的姿態(tài)如圖4，車(chē)體的質(zhì)心處的加速度如圖5，以及履帶張力如圖6。

從圖5可以看出履帶車(chē)通過(guò)凸臺(tái)的時(shí)候車(chē)體質(zhì)心處加速度值的變化，其仿真結(jié)果在4～6s時(shí)候加速度波動(dòng)較大，因加速度值能反映履帶車(chē)輛通過(guò)梯形凸臺(tái)障礙時(shí)地面對(duì)車(chē)體的振動(dòng)激勵(lì)，通過(guò)履帶參數(shù)的合理設(shè)計(jì)控制其振動(dòng)，能有效地衰減來(lái)自地面的沖擊載荷，提高各零件的動(dòng)載荷疲勞壽命；圖6顯示出履帶張力的變化波形，其仿真結(jié)果在4～6s時(shí)候加速度波動(dòng)較大，因履帶車(chē)正通過(guò)凸臺(tái)導(dǎo)致履帶張力增加，其張力值能為研究主動(dòng)輪和履帶之間的磨損提供參考依據(jù)。

圖4 履帶車(chē)通過(guò)凸臺(tái)障礙的姿態(tài)Fig.4 the gestures of the tracked vehicle through a concave baffle

圖6 履帶張力Fig.6 track tension

5 結(jié)論

本文基于柔性履帶模型建立了某履帶車(chē)輛的三維仿真模型，對(duì)其平順性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。該方法建模簡(jiǎn)單快捷且求解效率高。相比于傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)公式和大量試驗(yàn)的方法，所獲取的數(shù)據(jù)更加豐富，研制周期縮短。用柔性履帶模型方法在早期設(shè)計(jì)階段就能快速地預(yù)測(cè)履帶車(chē)輛的通過(guò)性、車(chē)體振動(dòng)加速度等指標(biāo)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的理論數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)合最終的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提高履帶車(chē)輛的設(shè)計(jì)水平。

[1]韓寶坤，李曉雷，孫逢春．履帶車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的發(fā)展與展望[J]．兵工學(xué)報(bào),2003,24(2)．

[2]M G Bekker．地面 車(chē)輛 系統(tǒng) 導(dǎo)論[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987．

[3]王建春，王治林，張耀娟等．基于RecurDyn的高架履帶推土機(jī)行走系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真研究[J]．工程機(jī)械，2012(7)．