劉 濤

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

工程機(jī)械在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中占有重要的地位，在礦山、建筑、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域都可以看到各種工程機(jī)械的身影。 它具有接地比壓低，能夠在惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)[1]。 采裝機(jī)承重輪是行走裝置的一部分，當(dāng)承重輪發(fā)生疲勞損傷或破環(huán)時，將會使整臺設(shè)備無法正常工作，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，造成經(jīng)濟(jì)損失，所以對行走裝置承重輪的研究十分重要。 隨著市場對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多樣性需求持續(xù)提高，為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，虛擬樣機(jī)技術(shù)因此誕生[2]。 動力學(xué)軟件ADAMS 憑借其強(qiáng)大的分析功能與方便的操作被用戶所稱贊[3]。 筆者以ZWY-180 采裝機(jī)為對象，針對其在爬坡工況下行走裝置承重輪的受載特性，使用ADAMS/View 對采裝機(jī)履帶行走裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真研究。 研究結(jié)果數(shù)據(jù)可為采裝機(jī)承重輪的設(shè)計及優(yōu)化提供理論依據(jù)及參考價值。

1 履帶行走裝置結(jié)構(gòu)介紹

履帶式采裝機(jī)又被稱為挖掘式裝載機(jī)，因其適用于地形復(fù)雜的路況，集物料采集與運(yùn)輸兩個功能為一體，所以能實現(xiàn)物料的高效性與安全性轉(zhuǎn)移。 其行走裝置包含驅(qū)動輪、承重輪、導(dǎo)向輪和托鏈輪等；其工作原理是發(fā)動機(jī)提供的動力，通過液壓泵傳遞給行走馬達(dá)，帶動驅(qū)動輪與履帶嚙合。 當(dāng)驅(qū)動力大于行駛的內(nèi)外阻力和摩擦力之和，履帶裝置就會向前移動[4]。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 行走裝置具體結(jié)構(gòu)

2 三維模型的建立

采用SolidWorks 對采裝機(jī)進(jìn)行三維建模，經(jīng)簡化后導(dǎo)入動力學(xué)軟件ADAMS 中，設(shè)置好路面模型參數(shù)，然后施加約束及接觸，保證構(gòu)件間的力學(xué)關(guān)系，添加爬坡工況下的驅(qū)動函數(shù)[5]，進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。至此，三維模型建立完畢。

圖2 所示為履帶式采裝機(jī)模型。 該機(jī)實際質(zhì)量是18 000 kg， 經(jīng)各零部件賦予材料后質(zhì)量為17 986 kg，雙履帶結(jié)構(gòu)，單邊履帶內(nèi)部采用7 個承重輪，2 個托鏈輪，1 個驅(qū)動輪，1 個導(dǎo)向輪，履帶板共有96 個，履帶間間隔距離為2 150 mm，履帶接地長度為3 035 mm。

圖2 履帶式采裝機(jī)三維模型

2.1 采裝機(jī)模型簡化

在SolidWorks 軟件中建模之后，需要對模型簡化，否則零件太多，在接下來的ADAMS 分析中，會出現(xiàn)分析速度慢，效率低或者無法正常運(yùn)行。 簡化原則應(yīng)滿足以下三點(diǎn)。

(1) 模型中對仿真結(jié)果不影響或影響極低的零件以及復(fù)雜的特征，一律刪除簡化。

(2) 盡量把繁瑣固定在一起的零件通過處理簡化成一個零件，減少零件數(shù)量，加快仿真速度。

(3) 要正確表達(dá)出運(yùn)動副之間的關(guān)系，做到接近實際運(yùn)動情況。

2.2 施加約束

模型經(jīng)過簡化后，導(dǎo)入到ADAMS/View，然后施加約束，以保證和實際情況靠近，施加約束時要注意數(shù)量合理，不要出現(xiàn)約束過多的情況，否則會導(dǎo)致仿真結(jié)果不準(zhǔn)，嚴(yán)重時仿真會無法執(zhí)行[6]。 具體約束如表1 所列。

表1 仿真模型各部件對應(yīng)約束統(tǒng)計

2.3 承重輪

采裝機(jī)行走裝置單側(cè)安裝有7 個承重輪，結(jié)構(gòu)均為單輪緣承重輪，從左至右分別為1 ～7 號，承重輪的材質(zhì)為ZG42CrMo，經(jīng)熱處理后，調(diào)質(zhì)后輪轂硬度HB＝229-269，承重輪、導(dǎo)向輪和驅(qū)動輪組成輪系，一起支撐上部履帶，防止履帶出現(xiàn)脫軌和下垂，并承擔(dān)車身重量。 承重輪模型如圖3 所示。

圖3 承重輪模型

3 爬坡性能仿真

采裝機(jī)最大爬坡角度反映其爬坡性能，所以對采裝機(jī)設(shè)置多組爬坡角度進(jìn)行爬坡仿真實驗，最后得出的極限爬坡角度更為準(zhǔn)確。 路面類型設(shè)置為硬路面，最大爬坡角度得出依據(jù)為:當(dāng)輸送板前端距離仿真地面最近時開始爬坡，然后當(dāng)輸送板后端離地面最近時停止，此時，爬坡坡面的角度為采裝機(jī)極限爬坡角度。 爬坡仿真如圖4 所示。 爬坡仿真角度如表2 所列。

圖4 爬坡仿真截圖

表2 爬坡仿真角度數(shù)據(jù)

當(dāng)爬坡角度為18.3°時，輸送板后端碰觸到地面。因此，采裝機(jī)仿真模型在爬坡時的極限角度為18.3°。

上文在仿真模型中完成爬坡性能仿真，得出爬坡的最大角度。 若想知道仿真模型參數(shù)以及各構(gòu)件尺寸是否合理，與實際工況下是否接近，此時就需要進(jìn)行物理樣機(jī)測試，測出爬坡最大角度來對比驗證，從而間接證明仿真模型邊界條件的準(zhǔn)確性。

根據(jù)仿真得出爬坡的最大角度，試驗將選取坡角為18°的坡面進(jìn)行爬坡并測試，斜坡地面主要由不均勻石塊與硬質(zhì)的土組成，開始試驗。 具體步驟如下。

(1) 采裝機(jī)位于坡面起始位置6 m 左右，調(diào)整好輸送板的位置，為爬坡作準(zhǔn)備。

(2) 采裝機(jī)爬坡行駛過程中，以最大速度移動，當(dāng)坡面與采裝機(jī)輸送版前側(cè)距離較近時，停止前進(jìn)，用卷尺測量輸送板與斜坡的距離。 然后繼續(xù)爬坡，直到輸送后端距離路面最近時停止，測出后端距離地面的間距。

(3) 爬坡到最頂端后，調(diào)頭下坡，至此，樣機(jī)爬坡試驗結(jié)束。

測試現(xiàn)場如圖5 所示。 測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表3 所列。

圖5 現(xiàn)場測試

表3 測試數(shù)據(jù)

由表3 可知，當(dāng)采裝機(jī)爬坡的角度在18°時，輸送板前后端距離斜坡與地面都相當(dāng)接近，若試驗坡面角度大于18°，就會導(dǎo)致輸送板前后端碰觸到地面，損傷輸送板。 所以可得出采裝機(jī)在實際爬坡工況下的最大角度為18°。

將爬坡仿真與樣機(jī)測試結(jié)果對比驗證得出:兩者得出爬坡最大角度較接近，從而驗證仿真模型邊界條件設(shè)置的合理性。 也為后文研究分析承重輪在爬坡工況下的受載特性作準(zhǔn)備，也使得承重輪的受載數(shù)據(jù)更具說服性。

4 爬坡動力學(xué)仿真

路面類分為軟硬兩種，文中選擇硬路面進(jìn)行爬坡仿真，以研究分析承重輪在爬坡工況下的受載特性，爬坡角度選擇15°，建立好路面類型，施加好約束接觸，質(zhì)量質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量都與樣機(jī)盡量保持一致，添加仿真驅(qū)動函數(shù)行走裝置驅(qū)動函數(shù)為:Step(time，0.5，0，1，-1)，函數(shù)表示的含義:采裝機(jī)0.5～1 s 為加速時間段，此時存在慣性阻力，最終行駛速度為1 m/s。仿真路面全過程包含上坡和由坡面轉(zhuǎn)平兩種路面，仿真時間選擇70 s，如圖6 所示。

圖6 斜坡仿真過程

爬坡仿真中左側(cè)履帶各承重輪隨時間受載變化情況如圖7 所示。

圖7 爬硬坡時各個承重輪的受載情況

根據(jù)7 個承重輪的受載曲線進(jìn)行分析，仿真剛開始時，7 個承重輪都受到巨大的載荷沖擊，受載曲線都有所波動，經(jīng)過3 ～7s 處于穩(wěn)定狀態(tài)，7 ～16 s 時間段1～6 號承重輪曲線比較平穩(wěn)，輕微浮動。 原因是仿真開始時1～6 號承重輪幾乎不受載，處于懸空狀態(tài)，此時受載的主要為驅(qū)動輪以及導(dǎo)向輪。 但在此時間區(qū)間內(nèi)，7 號承重輪受載曲線呈現(xiàn)巨大變化，觀察圖表可以看出7 號承重輪在整個爬坡仿真中，此時波動最大，最大值達(dá)到70 kN。

在16～47 s 時間段內(nèi)，采裝機(jī)正常爬坡，與地面完全接觸，7 個承重輪受載均勻，無劇烈浮動，輪子從前至后，受載呈現(xiàn)增長的趨勢，47 ～53 s 區(qū)間內(nèi)所有輪子受載曲線又出現(xiàn)較大浮動，分析可知，此時應(yīng)為采裝機(jī)越過坡面最高點(diǎn)時的過程，對比所有承重輪曲線圖4 號輪在這個區(qū)間浮動最大，最大值為90 kN。受載最大的原因是采裝機(jī)爬到最高點(diǎn)然后下落的瞬間會有較大的載荷。 此區(qū)間內(nèi)1、5、6 三輪也有受載，最大值為72、78、62 kN。 但2、3 兩輪受載較小，最大值為33、27 kN。 53 s 后采裝機(jī)各承重輪受載恢復(fù)穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

以ZWY-180 型履帶式采裝機(jī)為研究對象， 結(jié)合采裝機(jī)工作特性，對其進(jìn)行爬坡性能測試，得出爬坡極限角度并與樣機(jī)試驗測試作對比驗證，然后運(yùn)用ADAMS 對采裝機(jī)行走裝置承重輪進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，得到以下結(jié)果。

(1) 爬坡極限角度與樣機(jī)試驗測出的極限角度相吻合，證明仿真模型邊界條件設(shè)置的合理性，為下一步對采裝機(jī)承重輪動力學(xué)仿真分析作鋪墊。

(2) 爬坡仿真整個過程中，4 號承重輪受載最大，極值為90 kN，1、5、6 三輪受載相對較大，2、3 兩輪受載較小，其中3 號輪受載最小，極值為27 kN?；诖藬?shù)據(jù)建議采裝機(jī)使用1 ～2 年內(nèi)需對受載較大與較小的承重輪進(jìn)行調(diào)換順序使用，也可對受載較大的承重輪更換材料或優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以延長各承重輪的使用壽命。