大型重載步履式全地形移動回轉平臺結構靜力學分析

劉慶倫，趙江平

（中山火炬職業技術學院，廣東 中山528436）

0 引言

1 平臺的基本結構

大型重載移動平臺可以作為大型重載工程機械或礦山設備的底盤。在這樣的平臺上安裝起重設備就可以成為移動式起重機、安裝斗輪和輸送帶就可以成為料場堆取料機、安裝破碎機就可以成為礦山移動破碎工廠、安裝裝卸機械和輸送帶就可以成為港口裝船機或卸船機，因此，大型重載移動平臺在料場、礦山和港口等有著廣泛應用。

全方位移動平臺是一類在平面上具有三自由度運動的平臺，它可實現前后、左右平移、中心轉向及其復合運動[1，2]。張豫南等針對麥克納姆輪式全方位移動平臺存在路面適應性差等問題，提出了“全方位移動履帶”的結構，并研制出一種履帶式全方位移動平臺，完成了平臺的平順性，試驗驗證了仿真結果的正確性，改善麥克納姆輪輪式全方位移動平臺的路面適應性[3]。王慰軍等設計了一種基于驅動萬向輪的全向移動平臺，克服了麥克納姆輪的缺點，提高了移動平臺的運動穩定性，并為移動平臺運動控制和離線編程提供了依據[4]。

輪軌式平臺在軌道上行走，移動平穩、所需功率小，但只能在有軌范圍內活動。履帶式平臺行走靈活，移動范圍大，但所需功率大，地面壓力大，對地形的要求高。本文針對目前這兩種形式的移動平臺特點進行改進，采用步履移動加回轉方式實現大型重載平臺全地形的移動和回轉。

本文針對目前這兩種形式的移動平臺特點進行改進，采用步履移動加回轉方式實現大型重載平臺全地形的移動和回轉。該結構采用了步履移動加回轉方式實現大型重載平臺全地形的移動和回轉，其結構如下：

（1）采用雙層平臺結構、四腳步履方式實現平臺平移和回轉支撐方式實現平臺旋轉；

（2）采用四腳獨立控制的液壓系統驅動和獨立控制的液壓支撐、導向，實現大型重載平臺的全地形行走；

（3）采用平臺重心跟蹤和軌跡控制系統實現地形分析、重心軌跡自動控制和跟蹤。

雙層平臺結構：采用內外層結構，外層結構主要用于承載、內層結構主要用于行走；四腳步履：結構下方安裝四只（或多只）大腳，液壓驅動前后滑動，實現步履式移動；回轉支撐：采用液壓支撐和軸承回轉，實現平臺支撐和旋轉；重心跟蹤和軌跡控制：平臺重心實時跟蹤和自動優化軌跡控制，實現大型重載平臺全地形行走。如圖1所示。

圖1 平臺的基本結構

2 平臺的靜力學分析

在靜力學分析過程中對平臺的基本機構進行簡化，自上而下保留承載支撐、回轉支撐以及下部支撐三部分。平臺的整體尺寸為8 000×8 000×3 600（mm），材質選用普通碳鋼，其力學性能為彈性模量E為210 GPa，泊松比0.28，屈服強度為220 MPa，負載為均布承載平臺圓面向下200 t承重。使用ABABQUS商業有限元軟件對整體模型進行靜力學分析，網格屬性為C3D10，有限元模型如圖2（a）所示。

圖2 移動平臺有限元分析

如圖2（b）所示，在外部均布負載作用下，平臺的承載支撐部分應力分布較均勻，但是在平臺支腿部分出現微弱的應力集中問題。如圖2（c）所示，回轉支撐與下部支撐四個支腳上部相連的位置造成了明顯的應力集中問題；同時，下部支撐的支腳也存在應力集中問題。如圖2（d）所示，平臺在負載作用下位移應力云圖所示，平臺整體在負載作用下向下凹陷，平臺的承載支撐以及下部支撐的支腳變形趨勢主要向內彎曲。結合應力與位移云圖，可以通過改變支腳結構，增加加強筋的方式改善應力集中及位移量大的結構性問題。

3 平臺移動的質心分析

質點系的質心是質點系質量分布的平均位置。本平臺系統簡化為三部件系統，分別是承載支撐、回轉支撐、下部支撐。設質點系由3個質點組成，它們的質量分別是承載支撐m1、回轉支撐m2以及下部支撐m3.采用r1、r2、r3分別代表承載支撐m1、回轉支撐m2以及下部支撐m3對應的矢徑。平臺質心的矢徑式如圖3所示，以移動平臺回轉支撐上部圓心作為坐標系原點，移動平臺的三個重要部件的質量m1=197 000 kg，r1=（x1，y1，z1）=（0，0，470）；m2=6 500 kg，r2=（x2，y2，z2）=（0，0，-208）；m3=48 500 kg，r3=（x3，y3，z3）=（0，0，-565）。如圖4是移動平臺在運動過程中的相對位置示意圖。回轉支撐上部圓心作為坐標系原點的坐標系中平臺質心坐標為（XP、YP、ZP）.m1、m2相對位置固定，其矢徑r1、r2不變，m3在移動過程中質心坐標在（-A，0，-565）到（A，0，-565）之間，A 為下部支撐的前移動極限。平臺質心坐標XP上部支撐的長度C、下部支撐跨度B以及移動的極限A相關，通過平臺結構優化設計尺寸可以保障平臺移動穩定性的前提下提升平臺的移動效率。

（續下圖）

（接上圖）

圖3 移動平臺重要部件質心位置

圖4 移動平臺運動時部件相對位置示意圖

4 結束語

本文介紹了大型重載步履式全地形移動回轉平臺結構，包括承載平臺、回轉支撐等9部分結構，通過靜力學有限元分析的方法對平臺的受力狀態進行了分析，掌握了該類型結構的受力變形趨勢，平臺在負載作用下，變形的主要發生處為四個支腳，變形趨勢為向內彎曲變形，為平臺的結構優化設計提供了設計理論基礎。

在對大型移動平臺重要部件的質心、質量等信息進行分析的基礎上，得到承載支撐m1、回轉支撐m2以及下部支撐m3的質量以及各自的質心坐標，在平臺裝配體中對平臺移動過程中質心分布的影響因素進行了理論分析，得出質心的移動坐標與平臺移動極限、下部支撐的尺寸以及平臺尺寸間的關系。