新型輪腿式挖溝機(jī)的動(dòng)力學(xué)建模與仿真

潘克強(qiáng),周知進(jìn),黎書文,何 船

(貴州理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,貴陽 550003)

在市區(qū)內(nèi)鋪設(shè)各類管道,首要任務(wù)是挖掘符合標(biāo)準(zhǔn)的溝渠,如果溝渠的參數(shù)(直線度、深度的一致性)不能得到保證,管道在實(shí)際的應(yīng)用中就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)失效破裂或堵塞.因此,挖溝機(jī)在高低不平的復(fù)雜地形環(huán)境中開展挖掘工作,支撐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是挖溝機(jī)最關(guān)鍵的組成部分,其功能、適應(yīng)性直接關(guān)系到挖溝的品質(zhì)和效率.支撐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和定位的車輪以及自適應(yīng)地形地貌的懸架,既是挖溝機(jī)的重要組成部分,又是挖溝機(jī)適應(yīng)地形性能的綜合體現(xiàn).

國(guó)外現(xiàn)在的挖溝機(jī)都是體積龐大的履帶式挖溝機(jī),不太適合在復(fù)雜的城市空間進(jìn)行溝渠挖掘.國(guó)內(nèi)通常采用挖掘機(jī)開溝或者人工挖掘,挖掘機(jī)通常不太適合對(duì)復(fù)雜的城市空間進(jìn)行溝渠挖掘,人工挖掘不但效率低,而且溝渠的品質(zhì)很難得到保證.因此,研發(fā)一款體積小、適應(yīng)性強(qiáng)的小型挖溝機(jī)很有必要[1].

1 挖溝機(jī)支撐移動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)

性能優(yōu)越的挖溝機(jī)應(yīng)該具有良好的爬坡、跨越障礙物、抗傾覆等越障性能,良好的越障性能可提升挖溝機(jī)車體的穩(wěn)定性，保證在水平或者斜面上工作時(shí)的溝渠挖掘品質(zhì).本文提出并設(shè)計(jì)了一款新型輪腿式[2]挖溝機(jī),綜合了輪式和腿式行走機(jī)構(gòu)[3]的優(yōu)點(diǎn),可根據(jù)地形地貌靈活調(diào)整車體姿態(tài)[4],有很強(qiáng)的地形地貌適應(yīng)能力、越障能力和保持車體足夠穩(wěn)定性的能力[5-6].

在概念設(shè)計(jì)階段,越障能力對(duì)挖溝機(jī)的整體設(shè)計(jì)是一個(gè)很重要的指標(biāo),利用Bekker[7]越障理論公式:

(1)

式中:h為越障高度;d為車輪直徑;α為常數(shù);l為車的長(zhǎng)度;w為車的寬度.

輪腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可以快速靈活地實(shí)現(xiàn)單個(gè)輪腿的升降，從而穩(wěn)定挖溝機(jī)車體姿態(tài),保證挖溝機(jī)工作部件運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠.

同時(shí)為保證挖溝機(jī)能夠正常越障,車體與地面的最小離地間隙應(yīng)作為重要參數(shù)進(jìn)行考慮,可以得到如下安全的離地間隙[8]，即

(2)

式中:dh為障礙物在復(fù)雜定性地貌的投影直徑.

挖溝機(jī)的穩(wěn)定性是決定挖溝品質(zhì)的重要因素,貫穿挖溝機(jī)的整個(gè)開發(fā)、設(shè)計(jì)的生命周期.輪腿式挖溝機(jī)的穩(wěn)定性可以用重心投影到行駛地面上的點(diǎn)與輪子接觸點(diǎn)之間的距離來表示(重力穩(wěn)定域)[9].挖溝機(jī)在斜坡(見圖1)或者斜面上(見圖2)工作時(shí),保證挖溝品質(zhì)的車身狀態(tài)如圖1和圖2所示.

圖1 挖溝機(jī)在上下斜坡的力分析Fig.1 Force analyses on slope of trencher

圖2 挖溝機(jī)在斜面的工作狀態(tài)Fig.2 Force analyses on the inclined plane of trencher

根據(jù)上述參數(shù)要求,通過分析常用形式的機(jī)構(gòu),從平面四桿機(jī)構(gòu)入手進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)出機(jī)械本體由車體平臺(tái)和輪腿移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成的四輪腿挖溝機(jī),機(jī)構(gòu)如圖3所示.當(dāng)挖溝機(jī)遇到障礙時(shí)或者在高低不平的地面行走時(shí),通過改變正向或側(cè)向輪腿的夾角,從而達(dá)到調(diào)節(jié)、穩(wěn)定車體姿態(tài)的效果,使得挖溝機(jī)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性、機(jī)動(dòng)性和越障能力.

圖3 輪腿式挖溝機(jī)三維模型Fig.3 3D model of wheel-legged trencher

2 基于Solidworks的挖溝機(jī)三維建模

利用Solidworks 2012軟件建立挖溝機(jī)的三維仿真分析模型,其基本參數(shù):挖溝機(jī)原理樣機(jī)質(zhì)量為2 000 kg，長(zhǎng)度Lmax=4 532 mm,寬度Wmax=1 485 mm,高度Hmax=1 540 mm,車輪直徑為R=304.8 mm.根據(jù)上述參數(shù)建立仿真分析模型如圖3所示,該三維模型的外形尺寸、質(zhì)量分布等均按原理樣機(jī)實(shí)際參數(shù)設(shè)定,同時(shí),考慮到車輪與接觸地面情況比較復(fù)雜,選擇沙石簡(jiǎn)易鋪裝路面為模擬地面,即挖溝機(jī)在仿真運(yùn)行過程中為剛性地面相互作用,在高低不平的地面行走時(shí)車輪與地面具有一定的沖擊.

3 基于ADAMS的挖溝機(jī)仿真分析

將通過Solidworks 2012建立的輪腿式挖溝機(jī)x_t格式三維模型導(dǎo)入ADAMS中,對(duì)其各部分施加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副及聯(lián)接,并建立模擬地形地貌的地面環(huán)境,設(shè)置有長(zhǎng)距離、大角度的上下斜坡障礙和不同高度單側(cè)的局部障礙等非結(jié)構(gòu)化形體.建立地表與挖溝機(jī)輪胎的相互作用模型,設(shè)置輪胎與地面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)fs=0.9,滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.55.對(duì)輪腿式挖溝機(jī)工作運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析,根據(jù)姿態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)(通過改變液壓缸移動(dòng)副長(zhǎng)度0～210 mm,其最大越障高度理論單向可達(dá)到1 200 mm,綜合工作情況越障高度設(shè)置為600 mm)設(shè)定、調(diào)節(jié)挖溝機(jī)各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的參數(shù)(見圖4),使其滿足設(shè)定姿態(tài)的條件.進(jìn)行ADAMS仿真分析，獲得挖溝機(jī)車體、車輪的運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖5所示.

圖4 挖溝機(jī)仿真環(huán)境設(shè)置Fig.4 Simulation settings of trencher

圖5 挖溝機(jī)仿真運(yùn)動(dòng)特性曲線Fig.5 Simulation characteristic curve of trencher

圖5(a)為挖溝機(jī)在復(fù)雜地形地貌工作時(shí),在載荷作用下車體的水平位移、質(zhì)心高度、速度及動(dòng)能曲線變化.通過曲線圖,即使行進(jìn)方向有大角度斜坡,車體在高度方向也沒有任何姿態(tài)變化,表示在工作過程中能很好地保證挖溝深度,并隨著挖掘泥土的深度平緩而改變行進(jìn)速度,提高挖溝品質(zhì).

圖5(b)～圖5(e)為挖溝機(jī)在復(fù)雜地形地貌工作時(shí),除了整車需要經(jīng)過斜坡障礙外,單側(cè)車輪經(jīng)過障礙的水平位移、質(zhì)心高度、速度、角速度、車輪與地面的接觸力曲線變化.通過曲線圖,結(jié)合圖5(a),即使行進(jìn)方向有大角度斜坡和單側(cè)障礙,除了在極限環(huán)境(正弦障礙)下有一定的沖擊外,在行進(jìn)時(shí)車輪始終與地面保持很好的接觸和速度控制,顯示出輪腿結(jié)構(gòu)有很好的地形地貌適應(yīng)性,從而保證了挖溝機(jī)工作的穩(wěn)定性.

4 結(jié)語

對(duì)挖溝機(jī)進(jìn)行了原理樣機(jī)設(shè)計(jì)，并分析了需要考慮的基本性能指標(biāo),提出了輪腿式挖溝機(jī)的構(gòu)型方案,最后通過Solidworks進(jìn)行基本構(gòu)型參數(shù)設(shè)計(jì),用ADAMS仿真軟件對(duì)挖溝機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性仿真分析,得到了挖溝機(jī)各部件的運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)曲線,包括車體、車輪的位移、速度、加速度和角速度、角加速度和動(dòng)能等特性曲線.仿真試驗(yàn)證明:該構(gòu)型完全滿足設(shè)計(jì)要求,并顯示出輪腿式挖溝機(jī)在復(fù)雜地形地貌下具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性,為挖溝機(jī)的整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù).