液壓挖掘機履帶行走裝置的合理預張緊力

劉漢光,王國強,孟東閣,趙寰宇

(1.江蘇徐州工程機械研究院,江蘇 徐州221004;2.徐工集團高端工程機械智能制造國家重點實驗室,江蘇徐州221004;3.吉林大學 機械科學與工程學院,長春130022)

0 引 言

履帶行走裝置作為一種具有高通過性的行走裝置,在工程機械裝備方面有著十分廣泛的應用。履帶張緊裝置的預張緊力是履帶行駛前通過推動導向輪對履帶鏈進行張緊而設定的。履帶在行駛過程中張緊裝置受到的壓力為張緊力。預張緊力對履帶行走性能具有很大的影響,預張緊力過大,使履帶剛性太大,張緊裝置起不到緩沖作用,同時會造成履帶行走機械的內摩擦力的增加,從而造成發動機功率的損失以及加快履帶的磨損速度;預張緊力太小又會使履帶松弛,起不到張緊作用,會造成履帶脫鏈。因此,合適的預張緊力對于履帶行走裝置運行性能有著很大的影響。此外,預張緊力對履帶運行時的張緊力也有著較大影響。

在高速履帶車輛履帶行走裝置張緊力研究方面,Nakanishi等[1,2]通過對履帶車輛系統的平面動力學分析得到了二維接觸力的動力學方程。Choi等[3,4]在Nakanishi工作的基礎上,建立了三維的履帶車輛系統動力學方程。此外,所建立的履帶張緊力的數學模型可以通過多體動力學工具進行仿真驗證[5,6]。在重型履帶車輛行走裝置張緊力研究方面,Zhou等[7]通過分析重型履帶車輛的驅動輪與鏈節嚙合,得到了合適的履帶張緊力。對于液壓挖掘機履帶行走裝置而言,既不需要高速履帶的高機動性,也不需要重型履帶的巨大載重量,因此,需要合適的預張緊力來保證液壓挖掘機履帶行走裝置行駛性能的穩定。

本文在多體動力學軟件Recur Dyn中建立了挖掘機的虛擬樣機模型,并通過在直行、原地轉向以及差速轉向3種工況下對履帶行走裝置的張緊力實測,驗證了虛擬樣機模型的準確性。

1 虛擬樣機模型

多體動力學軟件Recur Dyn中的Track(LM)模塊,可以將履帶行走裝置中驅動輪、導向輪、支重輪、托帶輪以及履帶板的三維模型導入,將其定義為模塊中系統可識別的相應部件,然后進行履帶鏈的裝配,快速創建完整的履帶行走裝置虛擬樣機模型。圖1為挖掘機整機虛擬樣機模型,其主要參數如表1所示。通過對挖掘機虛擬樣機模型的仿真計算,可以得到不同工況下履帶預張緊力以及行駛過程中張緊力的仿真結果。

圖1 挖掘機虛擬樣機模型Fig.1 Virtual prototype model of excavator

表1 挖掘機模型主要參數Table 1 Main parameters of excavator

2 實驗驗證

要從理論上驗證挖掘機虛擬樣機模型的準確性及可信度是非常困難的,為了建立準確的虛擬樣機模型,需要通過實測挖掘機履帶行走裝置的關鍵性能指標,為虛擬樣機的準確提供數據基礎。

2.1 測試儀器及方法

實驗中使用DEWE SIRIUS數據采集器對測得的張緊力進行數據采集,如圖2所示。

圖2 DEWE SIRIUS數據采集器Fig.2 DEWE SIRIUS data acquisition system

由于張緊裝置中的彈簧一端與履帶架貼合,此處的受力情況可以直接反映出張緊力的變化情況,所以在張緊裝置與履帶架貼合端安裝壓力傳感器,將改裝后的張緊裝置安裝于兩側履帶行走裝置上,如圖3所示。

將張緊裝置上的壓力傳感器與數據采集器相連,通過計算機對數據進行觀測與存儲。圖4為挖掘機的實驗樣機,主要由履帶行走裝置、上車、工作裝置3個部分組成。對挖掘機實驗樣機在水平硬路面上行駛時的張緊力進行測量,并與虛擬樣機模型的動力學仿真結果進行對比驗證。

圖3 張緊力測量Fig.3 Measurement of tension

圖4 挖掘機實驗樣機Fig.4 Experimental prototype of excavator

2.2 實驗與虛擬樣機仿真結果對比

對挖掘機虛擬樣機模型在硬路面上進行直行、原地轉向以及差速轉向3種工況的仿真計算,將得到的各工況下左、右兩側履帶張緊力的結果與實驗結果進行對比,驗證虛擬樣機模型的準確。

2.2.1 直行工況

令挖掘機兩側履帶均以2.30 km/h的速度行駛,履帶行走裝置直行的張緊力實測與仿真曲線如圖5所示,實測均值為34 840.99 N,仿真均值為35 497.75 N,誤差為1.89%,吻合度較好。但實測張緊力曲線的波動比虛擬樣機模型仿真得到的張緊力曲線的波動更大,這是因為虛擬樣機模型中建立的路面的平整度很高,是理想的狀態,但實測時的路面平整度相對較低,導致履帶行駛過程中張緊裝置受力不穩定,會有較大的波動,所以實測數據相比仿真結果波動更大。

圖5 直行工況下張緊力曲線對比Fig.5 Comparison of tension curves in horizontal straight condition

2.2.2 原地轉向工況

令挖掘機左側履帶以1.80 km/h的速度向前行駛,右側履帶以1.80 km/h的速度向后行駛。履帶行走裝置原地轉向工況下,左側履帶的張緊力實測與仿真曲線如圖6(a)所示,實測均值為36 475.19 N,仿真均值為35 800.79 N,誤差為1.85%,吻合度較好。右側履帶的張緊力實測與仿真曲線如圖6(b)所示,實測均值為39 529.12 N,仿真均值為38 844.48 N,誤差為1.73%,吻合度較好。

圖6 原地轉向工況下張緊力曲線對比Fig.6 Comparison of tension curves in pivot steering condition

2.2.3 差速轉向工況

令挖掘機左側履帶以2.30 km/h的速度向前行駛,右側履帶制動,履帶行走裝置以0.75 m的半徑實現差速轉向。左側履帶張緊力實測與仿真曲線如圖7所示,實測均值為39 589.04 N,仿真均值為38 678.49 N,誤差為2.30%,吻合度較好。

圖7 差速轉向工況下張緊力曲線對比Fig.7 Comparison of tension curves in differential steering condition

3 仿真分析

履帶行駛過程中履帶張緊力的波動情況可以根據其標準差的數值大小來判斷,標準差的大小可以反映出張緊力波動的大小,即履帶行駛過程中履帶鏈振動情況。而張緊力的變化受預張緊力取值的影響,因此,可以以張緊力的標準差作為預張緊力取值范圍的依據。

3.1 直行工況

車輛以4.2 km/h的速度行駛,預張緊力分別為整車質量G的60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%。圖8為7種預張緊力下履帶行走裝置張緊力曲線。

圖9為7種預張緊力下車輛穩定行駛時張緊力標準差的變化曲線。由曲線可以看出,在預張緊力為60%～70%車重區間時,曲線呈加快上升的趨勢增長;在預張緊力為70%～75%車重區間時,曲線趨近于線性增長;在預張緊力為75%～80%車重區間時,曲線呈減緩上升的趨勢增長;在預張緊力為大約82%車重時,標準差達到最大值;在預張緊力為82%～90%車重區間時曲線下降。

圖8 直行工況下張緊力曲線Fig.8 Tension curves in horizontal straight condition

圖9 直行工況下張緊力標準差曲線Fig.9 Standard deviation curves of tension in horizontal straight condition

3.2 爬坡工況

車輛以2.2 km/h的速度在坡度角為20°的斜坡上行駛,分別對60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%車重的張緊力進行了仿真分析。圖10為7種預張緊力下爬坡行駛張緊力曲線。

圖10 爬坡工況下張緊力曲線Fig.10 Tension curves in climbing condition

圖11為7種預張緊力下車輛穩定行駛時張緊力標準差的變化曲線。可以看出,在預張緊力小于75%車重時,穩定行駛時張緊力的標準差隨著預張緊力的增大而減小,在預張緊力為75%車重時標準差達到最小值;在預張緊力大于75%車重時,穩定行駛時張緊力的標準差隨著預張緊力的增大而增大。以上結果表明,在同一坡度角下,75%車重的預張緊力情況下,穩定行駛時張緊力的波動最小。

圖11 爬坡工況下張緊力標準差曲線Fig.11 Standard deviation curves of tension in climbing condition

3.3 原地轉向工況

左側履帶以0.4 km/h的速度前進,右側履帶以0.4 km/h的速度后退,實現向右的原地轉向。左側履帶的張緊力小于右側履帶。圖12(a)(b)分別為左側履帶和右側履帶在7種預張緊力下原地轉向行駛張緊力的曲線。

圖12 原地轉向工況下張緊力曲線Fig.12 Tension curves in pivot steering condition

圖13為7種預張緊力下,車輛穩定行駛時左、右兩側履帶張緊力標準差的變化曲線。可以看出,原地轉向穩定行駛時,隨著預張緊力的增大,左側(前進)履帶張緊力的標準差在預張緊力小于75%車重時呈下降趨勢,在75%車重時達到最小;在預張緊力大于75%車重時呈上升趨勢。右側(后退)履帶張緊力的標準差在預張緊力小于75%車重時呈上升趨勢,在75%車重時達到最大;在預張緊力大于75%車重時趨于平穩。

圖13 原地轉向工況下張緊力標準差曲線Fig.13 Standard deviation curves of tension in pivot steering condition

4 結束語

建立了挖掘機虛擬樣機模型,并通過在直行、原地轉向以及差速轉向3種工況下對履帶行走裝置的張緊力進行實測,驗證了虛擬樣機模型的準確性。針對直行、爬坡以及原地轉向3種典型工況,在不同預張緊力下對履帶行走裝置張緊力的變化情況進行了仿真分析。在直行工況下,預張緊力在70%～80%車重范圍內更為合適;在爬坡工況下,預張緊力在70%～75%車重范圍內更為合適;在原地轉向工況下,預張緊力在75%～80%車重范圍內更為合適。綜合考慮以上3種典型工況,較為合理的履帶行走裝置的預張緊力為整車重量的75%,整車質量為5960 kg,則預張緊力為43 806 N相對較為合理。

[1]Nakanishi T,Shabana A A.Contact forces in the non-linear dynamic analysis of tracked vehicles[J].International Journal for Numerical Methods in En-gineering,1994,37(8):1251-1275.

[2]Nakanishi T,Shabana A A.On the numerical solution of tracked vehicle dynamic equations[J].Nonlinear Dynamics,1994,6(6):391-417.

[3]Choi J H,Lee H C,Shabana H A A.Spatial dynamics of multi-body tracked vehicles part I:spatial equations of motion[J].Vehicle System Dynamics,1998,29(1):27-49.

[4]Lee H C,Choi J H,Shabana H A A.Spatial dynamics of multi-body tracked vehicles part II:contact forces and simulation results[J].Vehicle System Dynamics,1998,29(2):113-137.

[5]Huh K,Hong D.Tracktension estimation in tracked vehicles under various maneuvering tasks[J].Journal of Dynamic Systems Measurement&Control,2001,123(2):179-185.

[6]Matej J.Terrain-adaptive auxiliary track tensioning system for tracked vehicles[J].Journal of Computational&Nonlinear Dynamics,2013,8(3):689-698.

[7]Zhou M X,Ren Y P,Ye L,et al.Discussion oftrack tension for heavy tracked vehicles[J].Advanced Materials Research,2013,813:30-33.