饒俊良 ， 汪達(dá)勇

（1.常州科研試制中心有限公司，江蘇常州213023；2.南昌礦山機(jī)械研究所，南昌330013；3.江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌330013）

0 引言

防爆工程車是現(xiàn)代煤礦輔助運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，常用于運(yùn)輸井下所需的鐵絲網(wǎng)、皮帶、混凝土、煤矸石等物料以及各種設(shè)備［1-2］。防爆工程車作為一種礦用車輛，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，是一個(gè)由多剛體系統(tǒng)和多柔體系統(tǒng)組成的剛-柔耦合的多體系統(tǒng)，只有在對其關(guān)鍵系統(tǒng)和部件進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上才能建立合理有效的虛擬樣機(jī)模型。

1 多體系統(tǒng)理論分析

多體系統(tǒng)一般是指由一些通過一定的幾何約束和運(yùn)動(dòng)關(guān)系聯(lián)接在一起的部件組合而成的一個(gè)能完成一定機(jī)械功能的系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中不會(huì)發(fā)生變形的一些部件可以認(rèn)為是剛性系統(tǒng)，而一些部件在工作中會(huì)發(fā)生彈性變形的則認(rèn)為是柔性體，它們共同組成了剛-柔耦合的多體系統(tǒng)。

1.1 多剛體動(dòng)力學(xué)理論

多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)以剛性體為研究對象，解決的是由多個(gè)剛性體組成的系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。多剛體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程可通過條件極值法建立為：

式中：f（q，t）=0為完整約束方程；g（q，q˙，t）=0為非完整約束方程；P為對應(yīng)完整約束的拉氏乘子列陣；μ為對應(yīng)非完整約束的拉氏乘子列陣；Q為廣義力矩陣；T為系統(tǒng)能量；q為廣義坐標(biāo)陣列。

系統(tǒng)能量T又可以表示為

式中：M為廣義質(zhì)量列陣；v為廣義速度列陣；I為廣義轉(zhuǎn)動(dòng)慣量列陣；w為廣義角速度列陣。

1.2 柔性體動(dòng)力學(xué)理論

柔性體動(dòng)力學(xué)的研究可以在剛性體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，一般可應(yīng)用離散法和有限元法分析，柔性體運(yùn)動(dòng)方程可通過拉格朗日乘子法建立為

式中：K、D為分別為模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼矩陣；Kξ、Dξ為分別代表物體內(nèi)部由于彈性變形和阻尼引起的廣義力；Q、ψ為對應(yīng)于外力的廣義力；λ為對應(yīng)于約束的拉格朗日乘子；fg為廣義重力。

2 剛-柔耦合虛擬樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 輪胎建模技術(shù)

防爆工程車輪胎選用的是實(shí)心填充輪胎，主要是由橡膠、簾布層和聚氨酯填充物等材料復(fù)合而成，具有可變形性、彈黏性和各向異性。防爆工程車通過這樣的4個(gè)輪胎支撐起來，輪胎在車輛行駛中不僅可以作為柔性單元減少路面起伏與顛簸對車輛的沖擊和振動(dòng)，同時(shí)還可通過驅(qū)動(dòng)力矩帶動(dòng)車輛的行駛。

在ADAMS/Tire中常見的輪胎仿真模型有Fiala輪胎模型、Magic Formula輪胎模型、UA 輪胎模型等［3］。根據(jù)實(shí)際工程情況分析，防爆工程車建模選用UA輪胎模型［4］，該模型將輪胎離散化為若干個(gè)彈性單元，每個(gè)彈性單元同時(shí)可以承受垂直方向、水平方向和側(cè)向方向的作用力，該模型能夠較準(zhǔn)確和全面地仿真出輪胎的實(shí)際特性。

在ADAMS里調(diào)入輪胎模型文件(具有輪胎特性數(shù)據(jù)的tir文件)，定義輪胎力、輪胎的中心和方向；設(shè)置輪胎的垂向剛度為3 550 N/mm，滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.03，滑動(dòng)阻力系數(shù)為0.75。將4個(gè)輪胎放置在防爆工程車的相應(yīng)位置，定義約束和自由度以及驅(qū)動(dòng)車輛的旋轉(zhuǎn)力矩，即可生成ADAMS仿真輪胎模型。

2．2 板簧建模技術(shù)

防爆工程車驅(qū)動(dòng)橋通過鋼板彈簧作為懸架彈性單元與車架進(jìn)行聯(lián)接。鋼板彈簧是車輛懸架方式中比較常見的一種，能起到減震和減少?zèng)_擊的作用；通常是根據(jù)載荷的不同由不同數(shù)量的長條形彈性合金鋼片組合而成。前后鋼板彈簧因?yàn)檐囕v前后載荷的分布不同而具有不同的剛性。結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 車輛懸架結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 懸架簡化模型

防爆工程車在行駛中各位置承受的載荷主要是垂直方向的分力，其余方向的分力較小，可以忽略不計(jì)。因此對鋼板彈簧進(jìn)行分析時(shí)也只需要考慮它在垂直方向的受力和變形，所以鋼板彈簧可以簡化為由兩個(gè)只有垂直方向作用的彈簧單元并聯(lián)的并與車輛車架相聯(lián)接的簡化模型，如圖2所示。

研究的對象車型采用的前、后板簧參數(shù)分別為K1=K2=681 N/mm。彈簧并聯(lián)的總剛度為各個(gè)彈簧的剛度之和，也就是 。計(jì)算可得剛度K=1362 N/mm。所以根據(jù)實(shí)際的車型情況，簡化后的前、后彈簧長度分別為315 mm和220 mm。在ADAMS中用柔性體構(gòu)件替換對應(yīng)的原剛性模型部分就可以完成剛?cè)狁詈辖＃?］。

2.3 路面建模技術(shù)

防爆工程車在煤礦中行駛在不同等級情況的路面上，由于路面的顛簸起伏，車輛會(huì)受到?jīng)_擊載荷與振動(dòng)的不良影響，在進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真時(shí)，需要充分考慮路面的不平度情況對路面進(jìn)行合理的建模。路面不平度一般通過路面功率譜密度來定義，縱向路面不平度模型如圖3所示。

可按照GB4970-1985汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法的規(guī)定，創(chuàng)建C級礦山等級路面。路面模型在ADAMS中采用文本形式的文件進(jìn)行描述，參照GB5902-1986汽車平順性脈沖輸入試驗(yàn)方法中的規(guī)定，一般采用三角凸塊組建路面模型，也就是由若干個(gè)三維三角形平面組成虛擬路面，如圖4所示。在三維坐標(biāo)中有若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們之間的連接平面組成了路面模型的離散單元，這些單元的法線朝上，三維坐標(biāo)x′代表路面的寬度尺寸，y′、y′分別代表橫向尺寸和垂直尺寸，將每個(gè)離散單元的三個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)定好即可組成完整的三維路面模型，然后再設(shè)定好路面模型的靜摩擦與動(dòng)摩擦因數(shù)，導(dǎo)入ADAMS生成為仿真所需的路面三維模型。

圖3 路面不平度模型

圖4 三維等效容積路面

3 結(jié)語

根據(jù)防爆工程車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將防爆工程車分為剛性體系統(tǒng)和柔性體系統(tǒng)進(jìn)行研究，在對剛性體系統(tǒng)和柔性體系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，針對防爆工程車虛擬樣機(jī)仿真模型建立中的難點(diǎn)問題，對系統(tǒng)中的輪胎、板簧以及路面模型進(jìn)行了分析和建模，為同類型車輛的虛擬樣機(jī)建模提供了理論參考。

［1］ 肖登紅，王俊元，曾志強(qiáng)，等.防爆膠輪車動(dòng)態(tài)特性研究［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2011，18（1）：23-27.

［2］ 曾志強(qiáng)，馬維金，王俊元，等.防爆膠輪車車架輕量化設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（12）：19-21.

［3］ 陳軍.MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［4］ 石濤.鉸接式無軌膠輪車車架動(dòng)態(tài)特性研［J］.煤礦機(jī)械，2013，34（5）：79-81.

［5］ 徐素霞，文學(xué)洙.基于剛-柔耦合模型的液壓挖掘機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真研究［J］.機(jī)械工程師，2014（3）：91-94.