重型履带车辆软地面行驶性能研究

【摘要】：为了缓解能源需求的巨大压力，“十二五”期间国家重点发展5000万吨级、亿吨级特大型煤炭企业。在特大型煤炭企业中，斗轮挖掘机、排土机、堆取料机和移动式破碎站等连续性开采设备得到了广泛应用。重型履带行走装置是担负这些设备承重、移动及转向功能的重要载体，其性能优劣直接影响到整车的工作效率和可靠性。开发具有高效率、高可靠性的重型履带行走装置，已经成为当前的重要任务。本文结合“产学研”项目，主要针对重型履带车辆在软地面上的行驶性能进行研究。 在广泛查阅国内外资料基础上，介绍了重型履带软地面行驶性能的研究背景和研究意义；综述了重型履带与软地面作用原理的研究现状；从数字化物理样机、功能样机等方面介绍了虚拟样机技术在重型履带研究中的应用；指出巨型化、零部件的通用化、远程控制和智能控制是重型履带的发展趋势。 对重型履带的结构类型、转向方式、驱动方式和功能特点进行了介绍。考虑速度瞬心偏移、质心偏移等因素，结合贝克沉陷理论，分析了履带在软地面行驶时受到的沉陷阻力、转向推土阻力、转向摩擦阻力、运行阻力、惯性阻力、爬坡阻力以及风阻力等作用力，给出了不同工况下履带驱动功率的计算方法。通过对比履带在密执安土、砂壤土和粘土等三种土壤下的沉陷阻力及沉陷量，确定了本文的研究路面为密执安土壤，并研究了履带宽长比对履带车辆行驶性能的影响。 定义了履带链节随动坐标系与大地坐标系的关系，将重型履带分为上部自由段、与地面接触的支持段、与导向轮接触的部分及与驱动轮接触的部分等四部分，分别对每一部分的履带链节进行力学分析，建立了刚性履带环与软地面作用的数学模型，确定了每一个履带链节的位置和受力关系。 针对某重型双履带排土机的转向性能进行了理论计算，分析了在外侧履带驱动轮转速为3.33r/min时，转向半径、质心偏移、履带宽长比以及履带轨距等因素对内、外侧履带驱动力、驱动功率以及转向摩擦阻力矩等性能的影响。 应用大型多体动力学仿真软件Recurdyn创建了某重型履带的虚拟样机模型，并对平地直行、爬坡直行和平地转向等多种工况进行了仿真分析，得到了该履带在上述工况下的驱动力、张紧力以及驱动轮、支重轮、平衡梁和履带的支反力。通过与理论计算结果进行对比，进行了相互验证。 对某排土机重型履带进行了实车试验。采用“有线测试”与“无线遥测”相结合的方法搭建了电机参数、扭矩、转速和应力等多参数测试系统，确定了各个测点位置、被测件的标定方法以及测试工况。通过处理分析测试数据，得到了重型履带不同工况下的运行规律，并与理论计算、虚拟样机仿真结果进行对比，验证了软地面行驶理论及虚拟样机仿真结果的正确性。 本文研究了重型履带车辆与软地面作用原理、主要结构参数的对行驶性能的影响、虚拟样机仿真以及实车试验方法，为重型履带行走装置的设计提供了一定的依据。