輪式推土機械懸掛閉鎖有效性評價方法分析

陶　帥，林浩洋，郝　剛，劉　玉，劉振廣

(1. 63956部隊,北京　100093； 2. 77569部隊 35分隊,拉薩　851400；

3.總裝器材供應中心,北京　100120)

輪式推土機械懸掛閉鎖有效性評價方法分析

陶帥1，林浩洋2，郝剛3，劉玉1，劉振廣1

(1. 63956部隊,北京100093； 2. 77569部隊 35分隊,拉薩851400；

3.總裝器材供應中心,北京100120)

摘要：為滿足4軸輪式推土機械在現(xiàn)階段面臨高速行駛穩(wěn)定性和其自身作業(yè)穩(wěn)定性間的需求，工程設計人員設計了一種懸掛和閉鎖結(jié)構(gòu)機構(gòu)結(jié)合的新型懸掛系統(tǒng)；但由于現(xiàn)實的懸掛閉鎖裝置不能實現(xiàn)理想的閉鎖，懸掛系統(tǒng)可能產(chǎn)生的內(nèi)泄、油液污染等問題的存在，導致懸掛閉鎖系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)有效性評價的問題；通過建立推土機械整機簡化模型，以閉鎖機構(gòu)作用時的推土作業(yè)穩(wěn)定性為目標，分析閉鎖機構(gòu)有效性影響因素和作用規(guī)律，研究結(jié)果表明：閉鎖機構(gòu)有效性可用油缸沉降量進行間接評價；研究結(jié)論為懸掛閉鎖系統(tǒng)的有效性評價提供技術支撐。

關鍵詞：輪式；推土機械；懸掛；閉鎖；評價

Analysis on Availability Evaluation Method of

Suspension Atresia of Wheel Bulldozer

TAO Shuai1, LIN Hao-yang2, HAO Gang3, LIU Yu1, LIU Zhen-guang1

(1.The No. 63956thTroop of PLA, Beijing 100093, China; 2.The No. 77569thTroop of PLA,

4軸輪式推土機械具有高速行駛減振和作業(yè)穩(wěn)定性的雙重要求，而兩者之間又是矛盾的。一般情況下，底盤系統(tǒng)若全部懸掛裝置采用彈性懸掛，可滿足高速行駛的減振需求，但彈性支撐狀態(tài)下，推土鏟刀向下推壓或向上提升過程中，車體就發(fā)生抬頭或翹尾現(xiàn)象，無法進行正常的推土作業(yè)；而若將全部懸掛裝置閉鎖成剛性懸掛，雖然車體在不發(fā)生抬頭和翹尾的情況下便可產(chǎn)生較大的推壓力、提升力和較好的作業(yè)穩(wěn)定性，但是會導致整機行駛時的共振頻率，影響行駛性能。為此，工程設計人員提供了一種懸掛和閉鎖結(jié)構(gòu)機構(gòu)結(jié)合的新型懸掛系統(tǒng)，從而達到兩種效果：一是懸掛裝置在高速行駛時為彈性懸掛，閉鎖機構(gòu)隨動；二是作業(yè)時，通過閉鎖機構(gòu)閉鎖懸掛系統(tǒng)，增大懸掛剛度，提高作業(yè)穩(wěn)定性。

一般來說，現(xiàn)實的懸掛閉鎖裝置不能實現(xiàn)理想的閉鎖，只能增加懸掛剛度；同時，由于工作環(huán)境或自身結(jié)構(gòu)的原因，在壽命周期內(nèi)，懸掛系統(tǒng)可能產(chǎn)生內(nèi)泄、油液污染等問題，使閉鎖結(jié)構(gòu)剛度低于設計值，即閉鎖裝置在使用過程中將會面臨失效的威脅。這些問題導致輪式推土機械面臨有效性檢測問題，即閉鎖機構(gòu)在什么狀態(tài)下可判定為失效。下面擬通過剛度對推土作業(yè)穩(wěn)定性的影響分析，探討測定閉鎖有效的試驗方法。

1理論建模

由于實際推土作業(yè)工況比較復雜，很難定量評價閉鎖機構(gòu)對作業(yè)平穩(wěn)性的作用[1-3]?？紤]到車輛在實施推土作業(yè)時的行駛速度較低，外擾頻率小的實際特點，可以將推土過程中的動態(tài)特性與靜態(tài)特性等效。

1.1　基本假設

閉鎖與推土平穩(wěn)性關系主要體現(xiàn)在推土鏟提升時對車體俯仰角的影響，為了集中體現(xiàn)提升力與俯仰角的關系，假定如下：

地面水平；車體和推土鏟是剛體；彈簧等懸掛在未作業(yè)時的初始位置平行于地面的垂向；忽略阻尼對車輛的影響，即按照靜力學方法對俯仰角進行分析；忽略輪胎氣壓不同引起的車輛重心偏移，即車體重心相對車體不變；在車體發(fā)生俯仰時，輪胎的主剛度方向與彈簧方向一致。

1.2　簡化模型

由于假設機械停靠路面為水平路面，同一軸上的左右兩個彈簧特性相同，所以可以將兩個彈簧等效為具有單個彈簧2倍剛度的彈簧，在此基礎上就可以建立車輛的平面簡化模型[4,5]，如圖1所示。

圖1　輪式推土機械受力簡圖

當車體受到鏟刀刃處提升力F的作用時，車體重心會向后、向下移動，同時會出現(xiàn)相對于未受力狀態(tài)時的一個俯仰角γ，由于懸掛彈簧與車體鉸接，當車體發(fā)生俯仰時，如圖2所示，懸掛彈簧隨之產(chǎn)生一定偏移角，偏移角度分別設為α1、α2、α3、α4。

當車體由于推土鏟提升力的作用產(chǎn)生俯仰變化時，車體各點相對于物理坐標(絕對坐標)的位置發(fā)生了變化，為準確把握彈簧與車體連接位置的坐標變化量，擬利用坐標變換方法對其進行分析。

圖2　輪式推土機械受力后簡圖

設Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ橋與地面接觸點相對于慣性坐標系的坐標為A1(ya1,za1)、A2(ya2,za2)、A1(ya2,za2)、A1(ya2,za2)，未發(fā)生俯仰時與車體鉸接點坐標為B1(yb1,zb1)、B2(yb2,zb2)、B1(yb2,zb2)、B1(yb2,zb2)，發(fā)生俯仰后與車體鉸接點坐標為C1(yc1,zc1)、C2(yc2,zc2)、C1(yc2,zc2)、C1(yc2,zc2)，其中C點坐標是由B點坐標通過坐標變換得到；重心偏移量為(a,b)；I至IV橋懸掛剛度分別為k1、k2、k3、k4，切削刃與地面接觸位置E到A1點距離為l，車重為G。

按照力平衡方程和力矩平衡方程，建立車輛在提升力作用下的力學平衡方程為

G=F1cosα1+F2cosα2+F3cosα3+F4cosα4-F

(1)

G(l1+l4)-F2cosα2l1-F3cosα3(l1+l2)-

F4cosα4(l1+l2+l3)-Fl=0

(2)

Gl4+F1cosα1l1-F3cosα3l2-F4cosα4×

(3)

Gl5-F1cosα1(l1+l2)-F2cosα2l2+

F4cosα4l3+F(l+l1+l2)=0

(4)

G(l5+l3)-F1cosα1(l1+l2+l3)-F2cosα2×

(5)

式(1)~式(5)中

l1=ya2-ya1;l2=ya3-ya2;

l3=ya4-ya3;

l4=a-ya2;l5=ya3-a；

F1=F10+k1x1;F2=F20+k2x2;

F3=F30+k3x3;F4=F40+k4x4

x1=b1-c1;x2=b2-c2;x3=b3-c3

其中：F10、F20、F30、F40分別為各橋在車體發(fā)生俯仰前，地面對彈性懸架的反作用力，即軸載，F(xiàn)1、F2、F3、F4分別為各橋在車體發(fā)生俯仰后地面對彈性懸架的反作用力，其由初始軸載和受力變化量兩部分組成。

2推土作業(yè)穩(wěn)定性影響因素分析

推土機械I至IV橋懸掛初始剛度分別為k1=k2、k3=k4(已知)，整車重量、l1、l2、l3、l4、l5、F已知。通過式(1)～(5)，對I、IV橋剛度變化對車體俯仰角的變化進行分析，通過計算，可以得到在相同提升力作用下，車體俯仰角隨I、IV橋剛度變化的規(guī)律，如圖3所示。

從圖3中車體俯仰角隨I、IV橋剛度的變化曲線中可以看出：

1) 在一定的最大提升阻力(與最大提升力等值、反向)作用下，車體的俯仰角會隨著I、IV橋剛度的增大而減??；

2) 車體俯仰角的變化率隨著I、IV橋剛度的逐漸增加而減小，即隨著剛度的增加，相同的剛度增量帶來的車體穩(wěn)定性效果越來越不顯著，直至I、IV橋變?yōu)閯傮w，即車體不發(fā)生俯仰，但這種狀態(tài)為理想狀態(tài)，且對于輪式機械而言是不可能達到的狀態(tài)。

圖3　車體俯仰角隨I、IV橋剛度變化規(guī)律

通過上述分析，可以得出如下結(jié)論：輪式機械的閉鎖機構(gòu)有利于提高作業(yè)時的穩(wěn)定性，但這種提升效果隨著剛度的增加而逐漸減弱。為了直觀的表達這種效果，可以I、IV橋剛度的變化為自變量，以車體俯仰角降低的幅度百分比為因變量，繪制兩者的關系圖，如圖4所示。

輪式機械達不到完全閉鎖是由輪式裝甲車輛的懸掛剛度的組成結(jié)構(gòu)決定的。I、IV橋剛度的增加是有利于車輛的作業(yè)穩(wěn)定性的。閉鎖機構(gòu)可以認為是懸掛彈簧的一個組成部分，懸掛彈簧kx和閉鎖機構(gòu)剛度kb兩者之間是并聯(lián)關系，并聯(lián)剛度kbx為

(6)

kb的取值范圍在理論上可以是0～+∞，當閉鎖完全失效時，閉鎖和懸掛彈簧的剛度為懸掛彈簧剛度，當閉鎖達到理論的剛性閉鎖效果時，懸掛彈簧和閉鎖機構(gòu)可以認為是一個剛體。

對于輪式機械而言，I、IV橋的剛度是由兩部分：一是懸掛、閉鎖彈簧kbx，二是輪胎kl，兩者之間是串聯(lián)關系，整體剛度k為

(7)

所以，對于輪式車輛機械而言， 安裝閉鎖機構(gòu)的某橋剛度值小于kbx和kl中的最小值。懸掛、閉鎖機構(gòu)的剛度小于輪胎剛度時，車輛懸掛剛度小于懸掛、閉鎖機構(gòu)剛度；閉鎖機構(gòu)即使實現(xiàn)理想的完全閉鎖，該橋最大剛度不會大于輪胎自身剛度。這就導致了對于輪式車輛而言，閉鎖機構(gòu)對降低車體俯仰角的貢獻是具有上限的。

圖4　車體俯仰角隨I、IV橋剛度變化規(guī)律

3閉鎖機構(gòu)有效性測量實例方法分析

從上述分析可以看出，閉鎖機構(gòu)的狀態(tài)對車輛穩(wěn)定性的影響是比較大的。在輪式機械中，安裝閉鎖機構(gòu)的某橋的剛度小于兩者中的任一個，而橋的剛度直接影響機械作業(yè)穩(wěn)定性。在閉鎖機構(gòu)的實際結(jié)構(gòu)中，完全閉鎖是一個理想狀態(tài)，這是由于在閉鎖機構(gòu)的油路中不可避免的存在氣泡等不利于閉鎖實現(xiàn)的因素存在，導致閉鎖機構(gòu)不能達到完全閉鎖狀態(tài)。在這種情況下，迫切需要對車輛閉鎖機構(gòu)的有效性進行檢驗，以確定車輛的作業(yè)穩(wěn)定性。

一般來說，閉鎖機構(gòu)的液壓缸是不允許有內(nèi)泄等問題存在的，也就是說只要閉鎖機構(gòu)出現(xiàn)泄壓等問題，閉鎖機構(gòu)就可以被認為是失效。但是由于通過上述分析可以看出，閉鎖機構(gòu)只要存在剛度，其對作業(yè)穩(wěn)定性的影響就是正的。在這種情況下，如果以是否有泄壓現(xiàn)象判別閉鎖機構(gòu)的有效性就過于嚴格。所以在實際評價過程中，允許閉鎖缸存在內(nèi)泄等導致壓力泄露等問題的存在。

如果允許閉鎖液壓缸出現(xiàn)內(nèi)泄現(xiàn)象，在一定的高壓狀態(tài)，壓力的下降和液壓油泄露量之間的關系為

dp/dt=Q×k/V

(8)

式(8)中：p為液壓缸壓力；Q為泄漏量；k為液壓油體積彈性模量；V為高壓腔容積。

根據(jù)式(8)可以看出，如果液壓缸出現(xiàn)泄露現(xiàn)象，隨著時間的推移，閉鎖缸內(nèi)部壓力會逐漸下降，直至完全失效。如果閉鎖油缸允許壓力降低，在判別閉鎖油缸有效性的測試中就需要考慮以下幾個方面的問題。

1) 界定閉鎖油缸在提升作業(yè)穩(wěn)定性效果的具體指標，如假定閉鎖油缸有效時，車體俯仰角較不采用閉鎖機構(gòu)時的俯仰角減小的百分比為定量指標。這也是閉鎖機構(gòu)設置的經(jīng)濟性、有效性、必要性的需求；

2) 需要根據(jù)機械要求的作業(yè)時間，以及對閉鎖機構(gòu)進行補壓維護的維修時間間隔，確定閉鎖油缸的有效性時間，進而明確閉鎖油缸的最大允許泄露量；

在上述2點基礎上，就可以實現(xiàn)對閉鎖機構(gòu)的有效性測試和判定，其測試路線圖如圖5所示。

圖5　閉鎖機構(gòu)有效性試驗方法路線

由式(8)可知，閉鎖油缸的剛度在加載力變化不大的情況下，剛度與閉鎖油缸的沉降量成正比例關系。因此，對于閉鎖油缸的有效性檢驗，可以通過確定閉鎖油缸有效時的剛度下限值，分析閉鎖油缸在固定力加載下的沉降量，以該沉降量為評價標準，對閉鎖油缸進行有效性評價。

綜合考慮閉鎖機構(gòu)的效能和價格，輪式推土機械檢測機構(gòu)在確定閉鎖機構(gòu)有效時，暫時確定：在設計的最大提升力作用下，相對于不采用閉鎖機構(gòu)，車體的俯仰角最少降低一定的百分比(如20%)才可認為有效。

同時為了試驗的方便，施加在閉鎖機構(gòu)上的固定加載力可以通過下壓鏟刀、使輪胎抬起、執(zhí)行閉鎖、提升鏟刀的方法實現(xiàn)對閉鎖機構(gòu)的定值加載?；谏鲜龇治黾皩﹂]鎖機構(gòu)剛度與車體俯仰角間關系的理論分析，如果降低俯仰角度比例為20%，則某型輪式推土機械I、IV橋的剛度不能小于***kN/m。進而結(jié)合閉鎖油缸的結(jié)構(gòu)及油液特性，推導出一橋閉鎖機構(gòu)在承受固定負載情況下閉鎖油缸的沉降量。以該沉降量作為評價閉鎖是否有效的評價指標。該方法在輪式推土機械評價中得到了認可和實施。

4結(jié)論

通過建立推土機械整機簡化模型，以閉鎖機構(gòu)作用時的推土作業(yè)穩(wěn)定性為目標，分析了作業(yè)懸掛系統(tǒng)中的閉鎖機構(gòu)剛度與整機俯仰角之間的關系：在一定的最大提升阻力作用下，車體的俯仰角會隨著I、IV橋剛度的增大而減??；車體俯仰角的變化率隨著I、IV橋剛度的逐漸增加而減小，即隨著剛度的增加，相同的剛度增量帶來的車體穩(wěn)定性效果越來越不顯著。研究表明可以通過對閉鎖機構(gòu)的沉降量來間接評價懸掛系統(tǒng)的有效性。最后通過實際測試分析，證明了測試方法的正確性，為閉鎖機構(gòu)的設計、試驗測試和評價提供了支撐。

參考文獻：

[1]吳永平.工程機械可靠性[M].北京:人民交通出版社,2009.

[2]牟致忠.機械可靠性理論、方法、應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[3]ISO13562-2000,Industrialvariable-reachtrucks-part1:Stabilitytests[S].

[4]何熴.車輛整車建模與動力學仿真[D].南京:南京理工大學,2009.

[5]湯久望,王紅巖,張欲寶,等.履帶式軍用工程機械推土作業(yè)時懸掛閉鎖策略研究[J].兵工學報,2011,32(9):1149-1153.

(責任編輯唐定國)

收稿日期：2014-10-16

基金項目：裝備重點研究項目

作者簡介：陶帥(1985—)，男，博士，主要從事振動沖擊防護、微隔振和試驗鑒定研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.036

中圖分類號：TH17

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)07-0144-04

本文引用格式：陶帥，林浩洋，郝剛，等.輪式推土機械懸掛閉鎖有效性評價方法分析[J].四川兵工學報，2015(7):144-147.

Citation format:TAO Shuai, LIN Hao-yang, HAO Gang, et al.Analysis on Availability Evaluation Method of Suspension Atresia of Wheel Bulldozer [J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):144-147.

Lhasa, 851400, China; 3.Mechanical Purchasing Station, Beijing 100120, China)

Abstract:For the demands of driving and operation stability of four axle’s wheel bulldozer, engineer designed a new hitch which combined the hanging and blocking. Because the new hitch could not get ideal hanging actual, the hanging system may have problems, such as leakage and oil pollution, the evaluation of blocking becomes a necessary work. For researching the influencing factor’s action principle and getting suitable evaluation method, a simple model of whole bulldozer was built by the aim of bulldozer’s stability, the result shows that the evaluation of blocking’s availability could be getting by the cylinder’s tolerable settlement. The research result offers supporting for hitch’s blocking evaluation.

Key words:wheel; bulldozer; hanging; blocking; evaluation

【機械制造與檢測技術】