矿用挖装机履带行走机构动力学仿真.pdf

第 48 卷 2020 年第 10 期 提运 编 辑 严 瑾 19 矿用挖装机履带行走机构动力学仿真 席亚兵，盖巍巍 三一重型装备有限公司研究院 辽宁沈阳 110027 摘要为了研究复杂工况下矿用挖掘式装载机履带行走机构的动力学性能，建立了某型矿用挖掘式装 载机履带行走机构的动力学模型，仿真获得了行走速度和履带链拉力的变化曲线。结果表明近驱动 轮端的履带链是紧边，上侧链拉力比下侧链拉力大；行走时履带链拉力幅值随着速度增加而减小，然 后逐渐平稳，在托链架上的履带链处于最危险工况；作业时履带链拉力处于动态平衡中，近驱动轮的 上侧履带链处于最危险工况。所得结论为优化矿用挖掘式装载机的设计、改善矿用挖掘式装载机行走 机构在复杂工况下的动态性能提供了依据。 关键词矿用挖掘式装载机；履带；建模；动态仿真 中图分类号TD422.3 文献标志码A 文章编号1001-3954202010-0019-05 Dynamic simulation on crawler walking mechanism of mine-used backhoe loader XI Yabing, GAI Weiwei Research Institute of Sany Heavy Equipment Co., Ltd., Shenyang 110027, Liaoning, China AbstractIn order to study the dynamic perance of the crawler walking mechanism of the mine-used backhoe loader in complex operation mode, the dynamic model of the crawler walking mechanism of a mine- used backhoe loader was built, and the variation curve of the walking velocity and the traction of the crawler chain was obtained. The results showed the crawler chain near the driving wheel was the tight side, the traction of the upside chain was larger than that of the downside one; in walking mode, the traction amplitude of the crawler chain decreased and then gradually stabilized with the increase in the velocity, the crawler chain on the towline shelf was in the most dangerous mode; in operation mode, the traction of the crawler chain was in dynamic balance, and the upside crawler chain near the driving wheel was in the most dangerous mode. The obtained conclusion offered reference for the optimization design of the mine-used backhoe loader and the improvement of its dynamic perance in complex operation mode. Key Wordsmine-used backhoe loader; crawler; modeling; dynamic simulation 作者简介席亚兵，男，1982 年生，硕士，工程师，主要从事 煤矿掘进机研究设计工作。 矿 用挖掘式装载机 以下简称“挖装机” 是用于煤 矿井下平巷、斜巷的装载设备。该机的作业特 点是行走时不挖掘，挖掘时不行走，行走机构既承受 运输机构的间歇性载荷作用，又受工作机构不均匀载 荷的影响，加之工作环境恶劣、工况复杂，导致行走 机构常出现机械故障，降低工作效率和使用寿命。因 此，研究不同工况下矿用挖装机行走机构的动力学性 能具有重要意义。 为此，笔者通过分析整机，建立关键工况下的数 学模型进行分析，从而得出其运动速度和履带板受力 的变化规律，为进一步履带优化设计奠定基础。 1 工作力学模型的建立 1.1 矿用挖装机工作状态分析 矿用挖装机的工作状态有满载、坡道、倾斜、 偏载、高位、低位、侧位等，笔者就最不利工况[1]32 满载坡道上行驶和作业 研究其工作状态，如图 1 所 示。该工况下挖装机的受力可通过力平移转化到行走 机构上，得到行走机构的力和力矩。 这时，履带行走机构主要受到地面支持力、车身 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 提运 编 辑 严 瑾 20 压力、行走阻力、工作负荷的作用，履带工作于复杂 的作业环境中。为简化分析，按照动力学建模理论和 方法，采用离散体动力学模型法 即将分布性质相似 的质量浓缩成集中质量的离散化方法[2-3] 将多节链环 集中为质量块，建立纵向运行的动力学模型。 1.2 挖装机阻力模型 挖装机挖煤工作力为 FA，其反作用力为 FC 即煤 对工作机构的作用力，FC 经平移转化到行走机构上， 得到挖煤阻力 FW 和力矩 MW，如图 1 所示。挖煤阻力 FW 的大小与散煤矿力学分布特性密切相关，可以通过 研究煤矿分布力得到挖煤阻力的随机过程。根据最大 熵原理拟合的散煤矿力学特性与正态分布有很好的重 合性[4]，那么研究散煤的力学分布特性可以用正态分 布简化。因此挖装机挖煤阻力模型用正态分布规律建 立为 F k x ta W F e - - 2 2 2 2 ps s [ ] ， 1 式中kF 为挖煤阻力幅值系数；xt 为 任意时刻的挖煤阻力分布样本；a 为正 态分布的值；s 为正态分布的方差。 2 建立纵向运行动力学 模型 履带行走机构是一个复杂的结构 部件，其动力学模型是一个多自由度 的系统。为方便计算与分析，根据实 际结构和工作状态进行以下合理的假 设与简化① 各部件质量均匀，最 终简化为集中质量点；② 各连接部件之间的弹性很 小，视各部件为无质量的元件连接，阻尼为黏性阻 尼；③忽略驱动轮圆周线速度与履带链传动之间存在 的多边形效应，假设传动速度连续平稳。 取某型挖装机为研究对象，设驱动轮正向运行 逆时针运动，如图 2 所示。图 2a 折算成图 2b 时，每个瞬时各段链的质量恒定。履带行走机构纵 向运行的动力学模型如图 3 所示。上履带链相同性质 的集中质量分别为 m1、m2 和 m3，集中质量之间的刚 度系数、阻尼系数分别为 k2、c2 和 k3、c3，集中质量 m1、m3 与两端轮上履带链之间的刚度系数、阻尼系数 分别为 k1、c1 和 k4、c4。下履带链的性质一致，其集中 质量为 m4，m4 与驱动轮、导向轮上履带链之间的刚度 系数、阻尼系数分别为 k5、c5 和 k6、c6，托链架和支撑 1. 铲斗 2. 小臂 3. 铲板 4. 大臂 5. 驾驶室 6. 泵站 7. 电控箱 8. 第一运输机 9. 行走部 图 1 矿用挖装机工作状态 Fig. 1 Working status of mine-used backhoe loader 图 3 矿用挖装机履带行走机构纵向运行的动力学模型 Fig. 3 Dynamic model of crawler walking mechanism of mine-used backhoe loader in longitudinal motion mode a b 1. 导向轮 2. 支重轮 3. 驱动轮 4. 履带板 5. 履带架 6. 托链架 图 2 矿用挖装机履带行走机构的纵向运行工况分析 Fig. 2 Analysis on crawler walking mechanism of mine-used backhoe loader in longitudinal motion mode 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 提运 编 辑 严 瑾 21 轮阻力的等效阻尼为 c。由于履带链是黏弹性体，取 阻尼系数 c1、c2、c3、c4、c5、c6 相等。 任意时刻履带链拉力如下 FFFkRxcRx FFFFk YH1YH2 YH2YH3 -- 111111111 222 ,θθ m , , xxcxx FFFkxxc xx F 12212 3323323 -- -- YH3YH4 YH H4V YH5YH6W -- -- FqgRkxRcxR FFFF /2 2 2 43224322 4 ,θθ - - - FFkxR c xR FFqg m45411 5411 2 G YH6V , θ θ /R RkRxcRx 2 62246224 --θθ o 式中FYH1、FYH2、FYH3、FYH4、FYH5、FYH6 分别为导向 轮与 m1 轮、m1 与 m2、m2 与 m3、m3 与驱动轮，导向轮 与 m4、m4 与驱动轮之间的链拉力；F1、F2、F3、F4 分 别为集中质量 m1、m2、m3、m4 所受的下滑阻力；x1、 x2、x3、x4 分别为集中质量 m1、m2、m3、m4 的位移； Fm2、Fm4 分别为集中质量 m2、m4 的摩擦阻力；FV 为 预紧力；FG 为挖装机坡道阻力；q 为履带链的密度； g 为重力加速度；R1、R2 分别为导向轮、驱动轮的半 径；θ1、θ2 分别为导向轮、驱动轮的转角。 3 仿真分析 利用所建立的上述模型，采用 MATLAB/Simulink 软件编程，对该挖装机进行仿真分析。用到的主要 参数有履带链的节距为 154 mm，密度 q 93.221 kg/m；驱动轮齿数 z 21；R1 R2 0.276 m；履带 链与托链架之间的摩擦因数 mc 0.2，履带链与矿场 地面之间的摩擦因数 mz 0.55；取集中质量 m1 m3 100.492 kg、m2 43.068 kg、m4 244.052 kg；导向轮 质量 md 94.217 78 kg；机重 G 12 0009.8 N；阻 尼 c1 c2 c3 c4 c5 c6 cr c 500 N s/m，刚度 k1 k2 k3 k4 k5 k6 6.75107 N/m；导轮支座刚 度系数 kd 451 874 N/m；总功率 P 40 kW。 3.1 坡道行走不作业工况分析 某型矿用挖装机最大爬坡角为 30 ，必须预紧力 FV 35.28 kN[8]，并正向运行 0 10 s，集中质量 m1、 m2、m3、m4 两端的链拉力变化依次如图 4a f 所 示，驱动转矩如图 4g 所示，矿用挖装机的行驶速度 即履带链集中质量 m4 的速度 如图 4h 所示。 统计集中质量 m1、m2、m3、m4 两端链拉力的仿真 结果，如表 1 所列，稳定速度均值为 0.648 9 m/s，低 于矿用挖装机行驶速度基准 1.39 m/s 5 km/h[1]65，可 见此仿真符合实际运行工况。 矿用挖装机行走不作业工况下的仿真结果表明 刚起步时，履带链拉力变化幅值最大，随着运行速度 的增加，拉力幅值逐渐减小，然后趋于稳定。随着运 a b c d e 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 提运 编 辑 严 瑾 22 行的持续，拉力均值趋于稳定，拉力幅值增加到稳定 值。从统计分析看，靠近驱动轮端的履带链是紧边， 上侧紧边链拉力均值和标准差比下侧紧边链拉力均值 和标准差大，在托链架上的履带链处于最危险工况。 3.2 坡道作业不行走工况分析 在最大作业坡度上，提供一个制动力矩 见图 5h，使矿用挖装机不行走 即集中质量 m4 不动， 取预紧力 FV 35.28 kN[5]，挖煤阻力如图 5g 所示， 并正向运行 0 10 s，得到矿用挖装机在该工况下集 中质量 m1、m2、m3、m4 两端的链拉力变化情况，依 次如图 5a f 所示。 表 1 行走不作业时履带链拉力的仿真结果 Tab. 1 Simulation results of traction of crawler chain in walking and non-operating mode kN 工况 正向 运行 链拉力 均值 标准差 FYH1 27.779 3.923 FYH2 37.788 3.787 FYH3 27.256 2.785 FYH4 16.986 1.689 FYH5 24.798 2.921 FYH6 16.333 1.638 g h 图 4 行走不作业运行仿真结果 Fig. 4 Simulation results in walking and non-operating mode a b c d e f 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 提运 编 辑 严 瑾 23 统计集中质量 m1、m2、m3、m4 两端链拉力的仿 真结果，如表 2 所列。 矿用挖装机作业不行走工况下的仿真结果表明 履带链拉力处于动态平衡中，并随着挖煤阻力的干扰 有所增加，然后趋于平稳。从统计分析看，靠近驱动 轮端的履带链是紧边，上侧紧边链拉力均值和标准差 比下侧紧边链拉力均值和标准差大，即靠近驱动轮的 上侧履带链处于最危险工况。 4 结论 1 行走仿真结果表明刚起步时履带链拉力变 化幅值最大，随着速度的增加，拉力幅值逐渐减小， 然后趋于稳定，且近驱动轮端的履带链是紧边，上侧 链拉力比下侧链拉力大，在托链架上的履带链处于最 危险工况。 2 作业仿真结果表明作业时履带链拉力处于 动态平衡中，并随着挖煤阻力的干扰有所增加，然后 趋于平稳，且靠近驱动轮端的履带链是紧边，靠近驱 动轮的上侧履带链处于最危险工况。 不同工况下履带行走的仿真研究为履带行走机构 的合理设计和正确使用提供了理论依据。 参 考 文 献 [1] 隋文涛．大型矿用挖掘机履带行走装置动力学仿真研究 [D]． 长春吉林大学，2005. [2] 李晓豁，刘 霞，焦 丽．不同工况下滑行式刨煤机的动态 仿真研究 [J]．煤炭学报，2010，3571202-1206. [3] 康晓敏，李贵轩．单自由度刨煤机动力学模型的建立与仿真 研究 [J]．振动与冲击，2009，282191-195. [4] 邓 建，李夕兵，古德生．岩石力学参数概率分布的信息熵 推断 [J]．岩石力学与工程学报，2004，23132177-2181. [5] 肖勇开，李晓雷．高速履带车辆履带预紧张力对平顺性的影 响 [J]．计算机仿真，20067253-255. □ 收稿日期2020-05-10 修订日期2020-09-19 f g h 图 5 作业不行走运行仿真结果 Fig. 5 Simulation results in operating and non-walking mode 表 2 作业不行走时履带链拉力的仿真结果 Tab. 2 Simulation results of traction of crawler chain in operating and non-walking mode kN 工况 正向 运行 链拉力 均值 标准差 FYH1 27.372 3.070 FYH2 37.303 2.235 FYH3 27.148 2.019 FYH4 16.937 1.496 FYH5 26.406 1.378 FYH6 16.289 1.511 万方数据