履带式矿用挖掘机行走机构动力学研究

矿用挖掘机在露天矿开采中主要用于装载和挖掘作业,是露天矿开采中不可或缺的重要采装机械之一。随着国内外不断扩大露天矿山的开采规模,伴随采矿工艺水平和设备技术水平的提升,为了更进一步提高企业自身的劳动生产率和经济效益,降低企业的开采成本,露天矿山所用挖掘机向大型化发展已经是大势所趋。 大型矿用挖掘机的行驶距离短,行驶速度低,工作过程中产生的冲击载荷大,且工作场所恶劣,这些特点决定了其行走机构应能承受较大的载荷冲击,有较高的稳定性、通过性以及机动性。履带行走机构由于能满足矿用挖掘机的要求,而被广泛应用在矿用挖掘机中。 由于成本及其它因素,目前国内对于现有大型履带式矿用挖掘机进行的载荷谱实验非常有限,可借鉴的数据资料也相对较少。基于以上情况,采用虚拟样机技术对履带行走机构进行计算机仿真研究,对于了解行走机构的动态性能比较容易实现。 本文采用理论分析和计算机仿真分析相结合的方法,对大型履带式矿用挖掘机的行走机构进行分析研究,着重分析行走机构中的支重轮所受垂直载荷的动态特性。首先以经典的土壤-车辆系统力学研究理论为依据,建立支重轮的力学模型,对支重轮所受垂直载荷情况进行理论分析,然后利用动力学仿真分析软件ADAMS对行走机构的仿真模型进行动力学仿真分析,就四种典型工况下各支重轮的垂直载荷大小、履带接地段整体压力分布情况以及特征支重轮垂直载荷的频域特性进行分析。 理论分析部分,根据支重轮的受力形式,建立支重轮与履带和土壤间相互作用的力学模型,主要探讨各支重轮垂直载荷的大小。模型中涉及的未知量有：支重轮的接近角和离去角,以及支重轮接近角和离去角处履带的张力。最终应用MATLAB软件,求解出各支重轮垂直载荷的静态理论值。理论计算结果表明,履带接地段接地压力的分布特点为：从导向轮端到驱动轮端,支重轮的受力依次增大,呈现近似三角形的分布状态,其中后支重轮的垂直载荷大小是其前一支重轮的两倍多。 虚拟样机仿真部分,样机模型的建立是关键。这其中最为关键的是接触力参数的选择和接触力的添加,是影响仿真结果准确性的重要一环。本文中各接触部件间的接触参数,依据接触构件的材料和结构特点最终确定。为了更加有效地反映出履带行走机构的动态特性,履带板铰中的摩擦以及支重轮、导向轮和驱动轮轴颈的摩擦在模型中也有所考虑。 本文仿真分析主要针对四种典型作业工况进行研究,即匀速直线前进、匀速直线爬坡、原地匀速转向和单侧驱动匀速转向。经仿真分析,得到了各工况下支重轮垂直载荷的大小、履带接地段整体压力分布特点及频谱特性。文中重点选取各工况下的四个特征支重轮的垂直载荷变化曲线进行分析,然后给出单侧9个支重轮或是双侧全部支重轮垂直载荷的大小,绘出载荷分布曲线,最后就特征支重轮的垂直载荷曲线进行频域分析。仿真结果验证了挖掘机在同一作业工况和不同作业工况下,各支重轮承受的垂直载荷大小以及履带接地段整体压力分布特点皆存在差异。 本文的研究内容对于大型履带式矿用挖掘机整机性能的研究,以及结构的优化和改进有一定的理论参考价值。