基于Recurdyn的挖裝機仿真實驗

王亞飛

摘要： 履帶式挖裝機行駛至工作地點時，可能會遇到高低不平的路況，車身呈傾斜狀，若在傾斜時進行挖掘工作，行走裝置可能會出現滑移現象，容易影響駕駛員的操作，降低工作效率。為了檢驗履帶式挖裝機在遇到斜坡路面時其行駛和工作的穩定性，本次仿真實驗利用動力學軟件Recurdyn，選擇2種類型路面對某型號挖裝機進行斜坡仿真檢驗，結果表明無論哪種情況，該履帶式挖裝機模型都能具有良好的穩定性。

Abstract： When the crawler excavator and loader travels to the working place， it may encounter uneven road conditions and the body is inclined. If the excavation is carried out when it is inclined， the traveling device may slip， which is easy to affect the driver's operation and reduce the work efficiency. In order to test the driving and working stability of the crawler excavator and loader when encountering the slope road， this simulation experiment uses the dynamics software RecurDyn to select two types of roads to carry out the slope simulation test of a certain type of excavator and loader. The results show that the crawler excavator and loader model can have good stability in either case.

關鍵詞： Recurdyn;履帶式挖裝機;斜坡;動力學仿真

Key words： Recurdyn;crawler loader;slope;dynamic simulation

中圖分類號：TH113????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0066-02

0? 引言

履帶式挖裝機屬于挖掘類機械，體型較大，根據具體型號可用于煤礦開采、煤礦出渣、隧道開采等，常在狹窄的環境中行駛和工作，對穩定性的要求較高[1]。實際行駛時挖裝機常會遇到斜坡工況，駕駛員駕駛挖裝機進行挖掘工作前，常需行駛過一定角度的斜坡然后在傾斜狀態下進行挖掘工作，可能會產生輕微滑移影響駕駛員操作[2]，因此需要保證挖裝機的穩定性從而提高挖掘效率。

影響履帶式挖裝機行駛穩定性的因素有重心位置、履帶接地長寬比、懸掛、預張緊力等。影響斜坡工作穩定性的因素有挖掘載荷，機械臂運動速度、土壤參數、履帶板類型、接地比壓、斜坡角度等[3]。本次實驗所用仿真軟件為Recurdyn，首先進行了機體動力學建模和路面建模[4-5]，然后進行了軟斜坡、硬斜坡兩種類型爬坡和斜坡工作仿真。

1? 仿真模型的建立

該履帶式挖掘機動力學模型的建立分為兩個步驟，首先是在Solidworks中繪制外部三維模型，然后在聯合Recurdyn進行動力學模型的建立。

履帶式挖裝機的車輛外部模型可以通過Pro-E、UG、Solidwork或者Recurdyn建立，本文所使用的建模軟件是Solidworks，所建外部模型組成包括運輸機構、駕駛艙、挖掘機構、回轉機構、駕駛室、行走架等，由于螺母、墊片、墊圈等細小零件對仿真影響很小，為了方便約束的添加，本次仿真未將這些細小零件畫出，在三維模型繪制完成后將其導入至Recurdyn中。

動力學模型的建立包括挖裝機模型和路面兩種建立。挖裝機模型主要由挖臂模型建立和行走系統模型建立組成，建模過程中不僅需要對挖臂中各個油缸添加驅動函數和運動副，還需添加相應的載荷。對行走系統建模時需對承重輪、履帶、拖輪、引導輪、支架進行相應的約束、驅動函數、摩擦系數設置。Recurdyn中路面模型分為軟、硬兩種，需要設置地面參數和履帶與地面的接觸參數，最后經調試將挖裝機模型與路面模型聯立起來，至此完成動力學模型的建立。

2? 仿真實驗

由于該挖裝機輸送機構較長，為了避免其前后兩端與斜坡碰撞，斜坡的坡度、土壤的沉陷指數、履帶車靜止時下落的高度都應設置在合理范圍之內。本次仿真設置的地面坡角為10°，履帶式挖裝機爬斜坡時關鍵階段如圖1所示。

車輛在硬斜坡行駛時，重心位置與時間的關系曲線如圖2所示。

由圖2可知，當車輛行駛至6s以后，挖裝機前端開始接觸斜坡，此時重心產生了較小的變化，當車輛整體爬上斜坡時，重心的抖動開始停止且大小隨的爬坡的進行呈線性的增加，隨后車輛開始在斜坡上穩定行駛。當車輛行駛至第42s左右時，履帶前端開始脫離斜坡，由于車身重心仍位于斜坡之上，因此履帶車繼續保持斜坡行駛狀態直至重心位于斜坡頂端，此過程重心依舊穩定變化。當行駛至50s時，受重心位置及重力作用影響，車輛從高處落下，由此產生稍大的抖動，但隨后便立即恢復至穩定狀態。

由上述實驗分析可得，硬路面仿真時，履帶式挖裝機機體的重心在爬坡前后的直行階段都能夠保持穩定，而在爬坡的初始階段和最終階段都會產生較小的位移變化，在爬坡過程中車輛穩定行駛，車輛在最高點落下后也能夠保持穩定行駛，因此，硬路面下的斜坡仿真良好且滿足檢驗要求。

當考慮土壤沉陷時，軟斜坡工況下機體重心位置與時間的關系曲線如圖3所示。

從圖中可以看出，挖裝機在軟硬兩種不同路面下仿真時，機體的重心振動情況有些許不同。軟路面斜坡測試時，由于考慮了土壤沉陷，仿真開始時履帶車從高處落到地面上，機體的重心并沒有產生明顯的變化，這是因為此時的履帶有一部分陷入了土壤中，較為松軟的土壤對履帶車進行減震，起了阻尼的作用。同樣與硬路面仿真不同，在爬坡的初始階段和最終點高處落下階段也未產生明顯的重心位移變化。因此，由上述實驗分析可得，考慮土壤沉陷時，斜坡行駛的穩定性也滿足檢驗要求。

斜坡工況下機械臂運動過程截圖如圖4所示。

履帶式挖裝機在兩種路面進行機械臂運動仿真時，該挖裝機機體重心位置在豎直方向的變化分別如圖5和圖6所示。

從圖5、圖6可以看出，挖裝機在初始時從Y軸坐標-205處開始落到斜坡上，之后機械臂開始工作。最開始落地時重心稍有變化，在仿真結束段，軟斜坡時重心Y軸坐標約為-350，硬斜坡為約為-280，兩者有所偏差，這是因為軟斜坡土壤沉陷導致了重心位置變化。因此，無論是在哪種斜路面工作，在之后的機械臂運動過程中，車輛重心在Y方向幾乎保持不變，車輛始終能夠保持平穩。

3? 總結

通過兩種類型的路面仿真實驗驗證該模型無論是爬坡還是工作、無論地面類型如何，履帶式挖裝機都能始終能保持平穩，斜坡仿真檢驗滿足預計的使用要求。

參考文獻：

[1]孟冉.礦用挖裝機工作裝置缸控系統動態特性研究[D].遼寧工程技術大學，2014.

[2]席亞兵，蓋巍巍.礦用挖裝機履帶行走機構動力學仿真[J].礦山機械，2020，48（10）：19-23.

[3]陳金濤.鈷結殼采礦鉸接式履帶作業車仿真研究[D].中南大學，2007.

[4]M.G.貝克.地面—車輛系統導論[M].北京：機械工業出版社，1978：4-30.

[5]劉義.Recurdyn多體動力學仿真基礎應用與提高[M].北京：電子工業出版社，2013.