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电铲履带系统AdamSATV动态仿真

作者：邹伟

来源：《计算机辅助工程》2020年第02期

摘要：针对重型履带系统复杂的车辆-地面力学问题，使用AdamsATV模块建立电铲整机

模型，准确计算在软地面爬坡、转弯和越障等工况下履带系统的驱动力矩和支重轮受力。爬坡

工况下履带系统驱动力矩仿真结果与理论值基本一致，转弯工况下驱动力矩理论值与仿真结果

的相对误差在2.5%-26.2%区间;原地转弯所需驱动力矩与12.5°坡角爬坡所需驱动力矩接近。在

硬地面越障时，支重轮受力最大值占整机总重力的41.8%。与实际使用值对比结果表明，仿真

结果和理论计算值可作为方案设计的参考，且理论计算值偏于保守;各工况计算结果可为动力

配置和后继强度设计提供依据。

关键词：电铲;重型履带系统;驱动力矩;支重轮;动力

中图分类号：TP391.92;U469.694文献标志码：B

引言0

电动机械挖掘机简称电铲，是露天矿山开采系统中最关键的设备之一，其履带式行走装置

性能对整机可靠性有重要影响，履带与支重轮、地面之间的复杂力学关系是设计计算的难点。

车辆与地面之间的力学建模方法有纯经验法、半经验法、基本理论研究法、模型试验法和计算

机模拟法等，其中：半经验法是一种相对简单可靠的建模方法，基本理论研究法和模型试验法

的适应性受具体工况限制，计算机模拟法随着计算机硬件配置的提升而迅速发展。与其他半经

验计算方法相比，Bekker公式适用性强、计算可靠，特别是在低速载荷工况下适用性更好。王

红岩等的试验数据表明，由于履带与地面之间存在滑动，当车辆转弯半径较小时，牵引力或制

动力较大。LYASKOL的试验数据表明，履带陷人深度随滑转率增大而增大。

目前，大型商业动力学模拟软件Adams和RecurDyn都使用半经验法中Bekker的载荷一

下陷公式计算车轮或履带与地面的相互作用力;Adams软件中的ATV模块可以较准确地计算行

驶阻力、履带张紧力等参数。在沼泽、山区等复杂路面高速行驶的履带车辆模拟通常采用用户

自研计算机程序计算，通用商业软件模块无法满足需求。在坦克或轻型履带式移动设备方面，

业内已有学者和专家使用商业动力学软件进行简单工况下的动力学研究，但在重型履带式工程

机械方面尚缺乏分析案例。

电铲重型履带系统示意见图1。支重轮和滑靴数量较多，各零部件之间以及零部件与地面

3

之间的作用力较大，接触的非线性问题求解难度较大。本文以某型号22m斗容电铲为例，使

用AdamsATV模块进行多工况下的动态仿真，并将仿真结果与Bekker公式等理论计算结果对

比，验证模型的正确性并进行后续仿真分析。

履带车辆与地面的力学理论1

车辆1.1直线行走驱动力矩计算

车辆直线行驶阻力包括履带系统内部摩擦阻力、地面压实阻力、坡道阻力、风阻力和加速

惯性阻力等。低速重型履带系统中风阻力和加速惯性阻力占比很小，可以忽略。

考虑支重轮与支重轮轴滑动摩擦、支重轮与履带板侧面滑动摩擦，每个支重轮相关的内部

摩擦阻力可表示为

式中：C为支重轮i（包括前导轮）上的载荷，N;d为支重轮轴i的直径，m;d为支重轮

ibiri

的直径，m;u为支重轮和支重轮轴之间的摩擦系数。设F为每条履带直线行驶时内部摩擦点阻

rf

力，则

驱动轮轴与驱动轮为花键连接，驱动轮轴两端装有滚动轴承，忽略滚动轴承摩擦阻力，则

履带平均接地比压为

单条履带直线运行总阻力为

Fd=F+F+F+F+F（8）

fpswi

单条履带驱动力矩为

=FTr（9）

ddp

式中：r为驱动轮的节圆半径。

P

车辆平地转弯驱动力矩计算1.2

不考虑履带下陷引起的侧面推土阻力，计算双履带行走装置的转弯驱动力矩。为不失一般

性，以左转弯为例，转弯时