掘式裝載機動力學分析

史偉

摘要：挖掘式裝載機在不同的工作狀態和路面條件下，各個主要部件的質心位置、受力等狀態都會不同。挖掘式裝載機的工作環境較為惡劣復雜，在該環境下一般會出現臺階、溝壑等路面情況。所以根據挖掘式裝載機仿真的技術要求，結合在實際工作中存在的工況，對幾種工況進行仿真分析。具體內容包括挖掘式裝載機的臺階、溝壑以及擺臂等動力學仿真。

關鍵詞：臺階;溝道;動力學仿真

中圖分類號：TB771? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0034-02

1? 仿真的技術要求

運動學分析：利用仿真軟件，從運動學的角度，在固定履帶式裝載機越障機理的基礎上，分析該采裝機對臺階、溝道等典型障礙的越障運動機理，分析最佳越障性能及對應的質心和擺臂的位置。

動力學分析：利用動力學仿真軟件，建立動力學模型，設置采裝機各關節的運動關系，然后在相應部位添加驅動力，以保證模型的可靠運動;對典型障礙如臺階、溝道等進行越障運動仿真。

穩定性分析：利用動力學仿真軟件對采裝機的越障機理與越障能力進行分析，對采裝機的越障運動進行仿真，對擺臂系統收起時的采裝機進行穩定性判定，然后對擺臂系統工作時的采裝機進行穩定性分析。得出靜態穩定性條件和擺臂系統對采裝機姿態的影響，分析其運行的穩定性和最佳越障性能。

2? 不同工況的仿真與分析

2.1 越溝壑實驗與分析

挖掘式裝載機跨越溝壑的關鍵因素包括結構、重心等參數，此外還要確保輸送板不與地面接觸。當其重心位置達到溝壑邊界線，而前引導輪處還未接觸溝壑的另一邊界時，挖掘式裝載機開始傾斜。若此時挖掘式裝載機勻速前進，則下落過程可近似看做成平拋運動。挖掘式裝載機在傾斜的過程中，引導輪下端到達溝壑的另一邊，支撐柱挖掘式裝載機，如果挖掘式裝載機在力作用下可以從傾斜狀態恢復到水平狀態，則挖掘式裝載機就能跨越溝壑。挖掘式裝載機越溝壑主要分為三個階段，如圖1所示。

圖1為擺臂伸長時挖掘式裝載機的越溝壑極距離，寬度約為1050mm，行駛速度為0.6m/s。當擺臂收起時，挖掘式裝載機整體的重心會發生變化，因此越溝壑的極限距離也會產生變化。但是由于擺臂占挖掘式裝載機重量比例非常小，擺臂伸長和收縮時的重心偏差也非常小。導致這兩種情況擺臂重心相對于車體置信的力矩差非常小，因此擺臂的位置對越溝壑的能力影響不大。經試驗測得擺臂收縮時，挖掘式裝載機的越溝壑極限距離約為1050mm，和擺臂伸長時的極限越溝壑距離相同，擺臂伸長和收縮時車體直行在垂直方向的振幅如圖2（a）、圖2（b）所示，可以看出這兩種情況下車體振幅幾乎沒有差別，越溝壑結束后能夠車體保持穩定運行。

2.2 越臺階實驗與分析

挖掘式裝載機在實際工作路面經常會遇到一些突起物體，將突起障礙物近似為臺階進行仿真，因此攀越臺階的極限高度是挖掘式裝載機越障性能的一個重要參數。如圖3所示為挖掘式裝載機在攀越臺階過程中的截圖，可以看出輸送板的高度對攀越臺階的能力有很大影響。

在保證輸送板前后不與臺階和地面接觸的前提下，此次仿真的速度為0.6m/s，最大越臺階高度為370mm，土壤沉陷170mm，實際高度200mm。車體質心在垂直方向的振幅如圖4所示，可以看出挖掘式裝載機在攀越臺階的過程中車體產生較大的抖動，攀越臺階完成后，挖掘式裝載機很快穩定下來，保持穩定行駛。

2.3 擺臂系統的實驗與分析

當挖掘式裝載機開始工作時，行走機構處于靜止狀態，X方向位移為0，此時擺臂在工作中不停運動，會對車體的穩定性產生影響。如圖5所示為擺臂從開始工作到收起的仿真截圖。

車體質心在Y方向和Z向的變化分別如圖6、圖7所示，在0-2.5s之間車體因重力作用落到地面上，Y軸垂向質心位置產生較大波動、Z向保持不變。之后Y方向質心不再變化。2.5-25s內包含了擺臂從工作到收起的一系列動作，過程中Z方向產生了非常微小的變化，擺臂動作停止后Z向也穩定下來?？梢钥闯鰯[臂的運動對車體質心幾乎毫無影響。

3? 總結

根據上述實驗現象，可以得出結論掘式裝載機在越過臺階和溝壑時可以表現出極大的穩定性，分析出其運行的穩定性和最佳越障性能，為采裝機越障時質心位置的控制提供了理論依據，符合最終實驗預計要求。

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