基于Recurdyn的挖装机仿真实验

王亚飞

摘要： 履带式挖装机行驶至工作地点时，可能会遇到高低不平的路况，车身呈倾斜状，若在倾斜时进行挖掘工作，行走装置可能会出现滑移现象，容易影响驾驶员的操作，降低工作效率。为了检验履带式挖装机在遇到斜坡路面时其行驶和工作的稳定性，本次仿真实验利用动力学软件Recurdyn，选择2种类型路面对某型号挖装机进行斜坡仿真检验，结果表明无论哪种情况，该履带式挖装机模型都能具有良好的稳定性。

Abstract： When the crawler excavator and loader travels to the working place， it may encounter uneven road conditions and the body is inclined. If the excavation is carried out when it is inclined， the traveling device may slip， which is easy to affect the driver's operation and reduce the work efficiency. In order to test the driving and working stability of the crawler excavator and loader when encountering the slope road， this simulation experiment uses the dynamics software RecurDyn to select two types of roads to carry out the slope simulation test of a certain type of excavator and loader. The results show that the crawler excavator and loader model can have good stability in either case.

關键词： Recurdyn;履带式挖装机;斜坡;动力学仿真

Key words： Recurdyn;crawler loader;slope;dynamic simulation

中图分类号：TH113                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0066-02

0  引言

履带式挖装机属于挖掘类机械，体型较大，根据具体型号可用于煤矿开采、煤矿出渣、隧道开采等，常在狭窄的环境中行驶和工作，对稳定性的要求较高[1]。实际行驶时挖装机常会遇到斜坡工况，驾驶员驾驶挖装机进行挖掘工作前，常需行驶过一定角度的斜坡然后在倾斜状态下进行挖掘工作，可能会产生轻微滑移影响驾驶员操作[2]，因此需要保证挖装机的稳定性从而提高挖掘效率。

影响履带式挖装机行驶稳定性的因素有重心位置、履带接地长宽比、悬挂、预张紧力等。影响斜坡工作稳定性的因素有挖掘载荷，机械臂运动速度、土壤参数、履带板类型、接地比压、斜坡角度等[3]。本次实验所用仿真软件为Recurdyn，首先进行了机体动力学建模和路面建模[4-5]，然后进行了软斜坡、硬斜坡两种类型爬坡和斜坡工作仿真。

1  仿真模型的建立

该履带式挖掘机动力学模型的建立分为两个步骤，首先是在Solidworks中绘制外部三维模型，然后在联合Recurdyn进行动力学模型的建立。

履带式挖装机的车辆外部模型可以通过Pro-E、UG、Solidwork或者Recurdyn建立，本文所使用的建模软件是Solidworks，所建外部模型组成包括运输机构、驾驶舱、挖掘机构、回转机构、驾驶室、行走架等，由于螺母、垫片、垫圈等细小零件对仿真影响很小，为了方便约束的添加，本次仿真未将这些细小零件画出，在三维模型绘制完成后将其导入至Recurdyn中。

动力学模型的建立包括挖装机模型和路面两种建立。挖装机模型主要由挖臂模型建立和行走系统模型建立组成，建模过程中不仅需要对挖臂中各个油缸添加驱动函数和运动副，还需添加相应的载荷。对行走系统建模时需对承重轮、履带、拖轮、引导轮、支架进行相应的约束、驱动函数、摩擦系数设置。Recurdyn中路面模型分为软、硬两种，需要设置地面参数和履带与地面的接触参数，最后经调试将挖装机模型与路面模型联立起来，至此完成动力学模型的建立。

2  仿真实验

由于该挖装机输送机构较长，为了避免其前后两端与斜坡碰撞，斜坡的坡度、土壤的沉陷指数、履带车静止时下落的高度都应设置在合理范围之内。本次仿真设置的地面坡角为10°，履带式挖装机爬斜坡时关键阶段如图1所示。

车辆在硬斜坡行驶时，重心位置与时间的关系曲线如图2所示。

由图2可知，当车辆行驶至6s以后，挖装机前端开始接触斜坡，此时重心产生了较小的变化，当车辆整体爬上斜坡时，重心的抖动开始停止且大小随的爬坡的进行呈线性的增加，随后车辆开始在斜坡上稳定行驶。当车辆行驶至第42s左右时，履带前端开始脱离斜坡，由于车身重心仍位于斜坡之上，因此履带车继续保持斜坡行驶状态直至重心位于斜坡顶端，此过程重心依旧稳定变化。当行驶至50s时，受重心位置及重力作用影响，车辆从高处落下，由此产生稍大的抖动，但随后便立即恢复至稳定状态。

由上述实验分析可得，硬路面仿真时，履带式挖装机机体的重心在爬坡前后的直行阶段都能够保持稳定，而在爬坡的初始阶段和最终阶段都会产生较小的位移变化，在爬坡过程中车辆稳定行驶，车辆在最高点落下后也能够保持稳定行驶，因此，硬路面下的斜坡仿真良好且满足检验要求。

当考虑土壤沉陷时，软斜坡工况下机体重心位置与时间的关系曲线如图3所示。

从图中可以看出，挖装机在软硬两种不同路面下仿真时，机体的重心振动情况有些许不同。软路面斜坡测试时，由于考虑了土壤沉陷，仿真开始时履带车从高处落到地面上，机体的重心并没有产生明显的变化，这是因为此时的履带有一部分陷入了土壤中，较为松软的土壤对履带车进行减震，起了阻尼的作用。同样与硬路面仿真不同，在爬坡的初始阶段和最终点高处落下阶段也未产生明显的重心位移变化。因此，由上述实验分析可得，考虑土壤沉陷时，斜坡行驶的稳定性也满足检验要求。

斜坡工况下机械臂运动过程截图如图4所示。

履带式挖装机在两种路面进行机械臂运动仿真时，该挖装机机体重心位置在竖直方向的变化分别如图5和图6所示。

从图5、图6可以看出，挖装机在初始时从Y轴坐标-205处开始落到斜坡上，之后机械臂开始工作。最开始落地时重心稍有变化，在仿真结束段，软斜坡时重心Y轴坐标约为-350，硬斜坡为约为-280，两者有所偏差，这是因为软斜坡土壤沉陷导致了重心位置变化。因此，无论是在哪种斜路面工作，在之后的机械臂运动过程中，车辆重心在Y方向几乎保持不变，车辆始终能够保持平稳。

3  总结

通过两种类型的路面仿真实验验证该模型无论是爬坡还是工作、无论地面类型如何，履带式挖装机都能始终能保持平稳，斜坡仿真检验满足预计的使用要求。

参考文献：

[1]孟冉.矿用挖装机工作装置缸控系统动态特性研究[D].辽宁工程技术大学，2014.

[2]席亚兵，盖巍巍.矿用挖装机履带行走机构动力学仿真[J].矿山机械，2020，48（10）：19-23.

[3]陈金涛.钴结壳采矿铰接式履带作业车仿真研究[D].中南大学，2007.

[4]M.G.贝克.地面—车辆系统导论[M].北京：机械工业出版社，1978：4-30.

[5]刘义.Recurdyn多体动力学仿真基础应用與提高[M].北京：电子工业出版社，2013.