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某中型履带式挖掘机越障动力学建模与分析
秦仙蓉;赵书振;沈健花;张氢;孙远韬
【摘要】建立履带式挖掘机的11自由度简化力学模型,利用拉格朗日法进行数学
建模.确定挖掘机越障过程中所受到的激励,求解系统在不同激励输入形式下的动态
响应.结合虚拟样机技术,完成履带式挖掘机在只有路面障碍激励下的虚拟样机动力
学仿真,将简化力学模型数值求解结果与虚拟样机动力学仿真结果相互对比.结果表
明:两种分析方法得到的动力学响应结果均符合预期分析;两种方法分析结果基本吻
合,实现了两种模型的相互校验,说明所提出的动力学建模与分析方法的正确性,可为
履带式挖掘机越障动态特性研究提供借鉴与参考.
【期刊名称】《噪声与振动控制》
【年(卷),期】2018(038)006
【总页数】6页(P1-6)
【关键词】振动与波;履带式挖掘机;越障动力学;简化力学模型;瞬态响应分析;虚拟
样机
【作者】秦仙蓉;赵书振;沈健花;张氢;孙远韬
【作者单位】同济大学机械与能源工程学院,上海201804;同济大学机械与能源工
程学院,上海201804;惠普信息技术研发有限公司,上海200131;同济大学机械与能
源工程学院,上海201804;同济大学机械与能源工程学院,上海201804
【正文语种】中文
【中图分类】TH113
由于工作性质的特点,履带式挖掘机工作环境十分恶劣,经常需要跨越石块、壕沟
等障碍路面,而挖掘机的燃料箱等薄壁构件,在履带式挖掘机越障过程中受到来自
地面的振动冲击,极易产生疲劳破坏,因此研究履带式挖掘机的整机越障动力学特
性十分必要。
近年来,国内外学者对履带式挖掘机的研究主要有:履带式挖掘机底盘系统的动力
学分析,履带式挖掘机的动力匹配及分析,履带式挖掘机的工作装置优化设计及可
靠性分析等[1-5]。然而国内外针对履带式挖掘机越障特性方面的研究还较为少见,
有关越障特性的研究主要集中在履带式移动机器人和高速履带车辆(即履带式装甲
车辆)。相应的研究主要集中于两个方向:其一是研究对象为履带式移动机器人,
通过理论分析其越障时的性能和稳定性等特征,研究现有机构的优缺点并进行优化
设计;其二是以履带式装甲车辆为研究对象,结合多刚体运动学和动力学分析,研
究履带式车辆在越障过程中的振动特性。
随着计算机技术的飞速发展,虚拟样机技术不断进步,给履带式车辆的研究提供了
有效的研究手段。国内运用虚拟样机技术进行挖掘机的仿真分析主要还是集中于工
作装置性能研究、最大挖掘机力、复杂作业工况的仿真以及机电液联合仿真分析方
面[6-8],而关于履带式挖掘机越障工况的仿真分析的文献并不多见。
本文根据机械振动理论,以履带式挖掘机为研究对象,建立挖掘机越障过程中的简
化力学模型和对应的数学模型,求解挖掘机越障过程中的动力学响应。建立某型履
带式挖掘机的整机虚拟样机,实现多刚体动力学仿真,并与简化力学模型数值求解
结果进行对比。
1简化力学建模
考虑到履带式挖掘机承载型底盘系统的特点,并借鉴国内外学者的研究,建立履带
式挖掘机的11自由度简化力学模型,分别为车体的垂向位移、车体的俯仰角、与
驱动轮接触的履带节单元垂向位移、7个与支重轮接触的履带节单元垂向位移和与
导向轮接触的履带节单元垂向位移,如图1所示。
图1履带式挖掘机简化力学模型
本力学模型不考虑履带式挖掘机的侧倾,即将问题简化为二维问题。力学模型的坐
标原点置于整机的质心位置,x轴的正方向为车体前进方向,z轴的正方向为垂直
向上方向,符合右手坐标系原则。某中型履带式挖掘机的单侧履带是由1个驱动
轮、1个引导轮、7个支重轮、2个托链轮和1条履带组成。考虑到整机在行走过
程的托链轮对于地面缓冲能力明显弱于其他轮子,且承载型底盘对地面缓冲作用主
要是驱动轮、支重轮和引导轮通过履带与地面接触来实现,因此不考虑托链轮,除
了车体的质量块m10外分9个模块,分别表示1个驱动轮、7个支重轮和1个引
导轮与履带板以及对应履带板与地面之间的接触作用。
图1所示的力学模型中,m10表示车体质量;J表示车体转动惯量;l1表示驱动
轮到质心的距离;li(i=2,…,8)表示各支重轮到质心O的距离;l9表示引导轮到
质心的距离;mi(i=1,…,9)表示与各轮接触的履带节单元的等效质量;k1、kb、
k3分别表示驱动轮、支重轮与导向轮和履带接触的换算刚度,c1、cb、c3分别表
示驱动轮、支重轮与导向轮和履带接触的换算阻尼,这里认为7个支重轮与履带
接触的换
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