潘克強,周知進,黎書文,何 船

(貴州理工學院 機械工程學院,貴陽 550003)

在市區(qū)內鋪設各類管道,首要任務是挖掘符合標準的溝渠,如果溝渠的參數(直線度、深度的一致性)不能得到保證,管道在實際的應用中就會在短時間內失效破裂或堵塞.因此,挖溝機在高低不平的復雜地形環(huán)境中開展挖掘工作,支撐驅動系統(tǒng)是挖溝機最關鍵的組成部分,其功能、適應性直接關系到挖溝的品質和效率.支撐驅動系統(tǒng)包括單獨驅動、轉向和定位的車輪以及自適應地形地貌的懸架,既是挖溝機的重要組成部分,又是挖溝機適應地形性能的綜合體現.

國外現在的挖溝機都是體積龐大的履帶式挖溝機,不太適合在復雜的城市空間進行溝渠挖掘.國內通常采用挖掘機開溝或者人工挖掘,挖掘機通常不太適合對復雜的城市空間進行溝渠挖掘,人工挖掘不但效率低,而且溝渠的品質很難得到保證.因此,研發(fā)一款體積小、適應性強的小型挖溝機很有必要[1].

1 挖溝機支撐移動系統(tǒng)的參數設計

性能優(yōu)越的挖溝機應該具有良好的爬坡、跨越障礙物、抗傾覆等越障性能,良好的越障性能可提升挖溝機車體的穩(wěn)定性，保證在水平或者斜面上工作時的溝渠挖掘品質.本文提出并設計了一款新型輪腿式[2]挖溝機,綜合了輪式和腿式行走機構[3]的優(yōu)點,可根據地形地貌靈活調整車體姿態(tài)[4],有很強的地形地貌適應能力、越障能力和保持車體足夠穩(wěn)定性的能力[5-6].

在概念設計階段,越障能力對挖溝機的整體設計是一個很重要的指標,利用Bekker[7]越障理論公式:

(1)

式中:h為越障高度;d為車輪直徑;α為常數;l為車的長度;w為車的寬度.

輪腿機構設計應滿足以下要求:結構簡單,可以快速靈活地實現單個輪腿的升降，從而穩(wěn)定挖溝機車體姿態(tài),保證挖溝機工作部件運行平穩(wěn)、工作可靠.

同時為保證挖溝機能夠正常越障,車體與地面的最小離地間隙應作為重要參數進行考慮,可以得到如下安全的離地間隙[8]，即

(2)

式中:dh為障礙物在復雜定性地貌的投影直徑.

挖溝機的穩(wěn)定性是決定挖溝品質的重要因素,貫穿挖溝機的整個開發(fā)、設計的生命周期.輪腿式挖溝機的穩(wěn)定性可以用重心投影到行駛地面上的點與輪子接觸點之間的距離來表示(重力穩(wěn)定域)[9].挖溝機在斜坡(見圖1)或者斜面上(見圖2)工作時,保證挖溝品質的車身狀態(tài)如圖1和圖2所示.

圖1 挖溝機在上下斜坡的力分析Fig.1 Force analyses on slope of trencher

圖2 挖溝機在斜面的工作狀態(tài)Fig.2 Force analyses on the inclined plane of trencher

根據上述參數要求,通過分析常用形式的機構,從平面四桿機構入手進行分析,設計出機械本體由車體平臺和輪腿移動機構兩部分構成的四輪腿挖溝機,機構如圖3所示.當挖溝機遇到障礙時或者在高低不平的地面行走時,通過改變正向或側向輪腿的夾角,從而達到調節(jié)、穩(wěn)定車體姿態(tài)的效果,使得挖溝機具有更強的適應性、機動性和越障能力.

圖3 輪腿式挖溝機三維模型Fig.3 3D model of wheel-legged trencher

2 基于Solidworks的挖溝機三維建模

利用Solidworks 2012軟件建立挖溝機的三維仿真分析模型,其基本參數:挖溝機原理樣機質量為2 000 kg，長度Lmax=4 532 mm,寬度Wmax=1 485 mm,高度Hmax=1 540 mm,車輪直徑為R=304.8 mm.根據上述參數建立仿真分析模型如圖3所示,該三維模型的外形尺寸、質量分布等均按原理樣機實際參數設定,同時,考慮到車輪與接觸地面情況比較復雜,選擇沙石簡易鋪裝路面為模擬地面,即挖溝機在仿真運行過程中為剛性地面相互作用,在高低不平的地面行走時車輪與地面具有一定的沖擊.

3 基于ADAMS的挖溝機仿真分析

將通過Solidworks 2012建立的輪腿式挖溝機x_t格式三維模型導入ADAMS中,對其各部分施加相應的運動副及聯(lián)接,并建立模擬地形地貌的地面環(huán)境,設置有長距離、大角度的上下斜坡障礙和不同高度單側的局部障礙等非結構化形體.建立地表與挖溝機輪胎的相互作用模型,設置輪胎與地面的滑動摩擦系數fs=0.9,滾動摩擦系數f=0.55.對輪腿式挖溝機工作運動過程進行仿真分析,根據姿態(tài)設計參數(通過改變液壓缸移動副長度0～210 mm,其最大越障高度理論單向可達到1 200 mm,綜合工作情況越障高度設置為600 mm)設定、調節(jié)挖溝機各個運動副的參數(見圖4),使其滿足設定姿態(tài)的條件.進行ADAMS仿真分析，獲得挖溝機車體、車輪的運動特性曲線如圖5所示.

圖4 挖溝機仿真環(huán)境設置Fig.4 Simulation settings of trencher

圖5 挖溝機仿真運動特性曲線Fig.5 Simulation characteristic curve of trencher

圖5(a)為挖溝機在復雜地形地貌工作時,在載荷作用下車體的水平位移、質心高度、速度及動能曲線變化.通過曲線圖,即使行進方向有大角度斜坡,車體在高度方向也沒有任何姿態(tài)變化,表示在工作過程中能很好地保證挖溝深度,并隨著挖掘泥土的深度平緩而改變行進速度,提高挖溝品質.

圖5(b)～圖5(e)為挖溝機在復雜地形地貌工作時,除了整車需要經過斜坡障礙外,單側車輪經過障礙的水平位移、質心高度、速度、角速度、車輪與地面的接觸力曲線變化.通過曲線圖,結合圖5(a),即使行進方向有大角度斜坡和單側障礙,除了在極限環(huán)境(正弦障礙)下有一定的沖擊外,在行進時車輪始終與地面保持很好的接觸和速度控制,顯示出輪腿結構有很好的地形地貌適應性,從而保證了挖溝機工作的穩(wěn)定性.

4 結語

對挖溝機進行了原理樣機設計，并分析了需要考慮的基本性能指標,提出了輪腿式挖溝機的構型方案,最后通過Solidworks進行基本構型參數設計,用ADAMS仿真軟件對挖溝機進行運動特性仿真分析,得到了挖溝機各部件的運動特性參數曲線,包括車體、車輪的位移、速度、加速度和角速度、角加速度和動能等特性曲線.仿真試驗證明:該構型完全滿足設計要求,并顯示出輪腿式挖溝機在復雜地形地貌下具有良好的穩(wěn)定性和適應性,為挖溝機的整車結構設計提供了理論依據.