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1GDZ－300L鉆機(jī)虛擬樣機(jī)建模

1.1履帶虛擬樣機(jī)的建立

鉆機(jī)的履帶行走機(jī)構(gòu)采用RecurDyn(RecursiveDynamic)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，該軟件是韓國FunctionBay公司開發(fā)出的新一代多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件。RecurDyn中專門有針對履帶設(shè)計(jì)與仿真的模塊低機(jī)動(dòng)性履帶車RecurDyn/Track(LM)。低機(jī)動(dòng)性履帶包工具箱由鏈輪，法蘭，履帶鏈接，橡膠襯套，輥?zhàn)幼o(hù)欄和地面剖面庫組成。而且低機(jī)動(dòng)性履帶包有參數(shù)化的部件鏈齒輪、單緣輪、雙緣輪等。利用這些部件，可以快速建立低機(jī)動(dòng)履帶車輛，分析諸如履帶鏈接和地面之間的相互接觸特性，以及各種工況中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)問題。

1.1.1履帶零部件幾何建模及組裝

GDZ－300L履帶鉆機(jī)選用的是BLD3500A型履帶，主要有由履帶板、驅(qū)動(dòng)輪、支重輪、托鏈輪、引導(dǎo)輪、張緊裝置組成。利用RecurDyn的Track(LM)模塊對履帶進(jìn)行建模，根據(jù)鉆機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)所選用履帶的實(shí)際情況確定各個(gè)子模型的結(jié)構(gòu)，確定行動(dòng)部分各零部件的幾何參數(shù)、性能參數(shù)、安裝位置以及連結(jié)方式等。鉆機(jī)的履帶虛擬樣機(jī)有兩條履帶子系統(tǒng)組成，每條履帶子系統(tǒng)包括1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、1個(gè)張緊輪、6個(gè)支重輪、1個(gè)托鏈輪和39塊履帶板，履帶板之間采用雙銷式連接;鉆機(jī)采用后置驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪有19個(gè)鏈齒。

1.1.2施加履帶子系統(tǒng)內(nèi)部約束

履帶各零部件之間的約束:結(jié)構(gòu)約束(接觸約束)、力約束、運(yùn)動(dòng)約束及剛體碰撞約束等。施加的主要約束包括:驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪、托鏈輪、支重輪與履帶支架之間的旋轉(zhuǎn)約束，定義驅(qū)動(dòng)輪的初始驅(qū)動(dòng)力或扭矩及驅(qū)動(dòng)函數(shù);履帶支架和鉆機(jī)機(jī)體(此時(shí)以子系統(tǒng)的motherbody表示)之間的固定約束;張緊輪與支架之間的移動(dòng)副約束，定義張緊彈簧的阻尼和初始張緊力;履帶板與履帶其它零件的接觸約束，該約束由軟件自動(dòng)完成。完整的履帶子系統(tǒng)如圖3所示。

1.2鉆機(jī)總成

在RecurDyn模型環(huán)境中把建立好的鉆機(jī)機(jī)體虛擬樣機(jī)模型導(dǎo)入其中，RecurDyn會(huì)自動(dòng)將模型各個(gè)組件的材料設(shè)置為鋼，也可根據(jù)實(shí)際情況更改各零部件所用的真實(shí)材料。為了方便后續(xù)的仿真把各個(gè)組件合并成一個(gè)名為drill的整體，合并后鉆機(jī)中的各個(gè)組件的質(zhì)量、體積及各個(gè)組件間的位置關(guān)系不會(huì)發(fā)生變化，然而這個(gè)合并體的質(zhì)量和質(zhì)心是由各個(gè)組件共同合決定的。調(diào)節(jié)兩條履帶的間距為實(shí)際值，把這兩條履帶的motherbody都改為drill，這意味著兩條履帶子系統(tǒng)的履帶支架以固體約束方式與鉆機(jī)機(jī)體連接，形成一個(gè)完整的鉆機(jī)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)。鉆機(jī)的總重量約6.32t，運(yùn)輸尺寸長×高×寬為5956mm×2545mm×2050mm，每條履帶的接地長度為2000mm、寬350mm、兩履帶間距為1700mm。

2建立行走仿真路面

地質(zhì)災(zāi)害防治施工現(xiàn)場的道路多為不平整路面，鉆機(jī)不可避免的要行駛在路障、坡道及邊坡上，地質(zhì)災(zāi)害鉆機(jī)的行走穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在成功越過這些不平整道路時(shí)不發(fā)生翻傾和滑移。因此分別建立平坦路面、斜坡、障礙和邊坡道路進(jìn)行分析，在RecurDyn的Ground模塊下建立，來近似模擬鉆機(jī)實(shí)際工作道路———粘土道路，地面參數(shù)在履帶系統(tǒng)中定義，每條履帶系統(tǒng)可單獨(dú)定義路面和履帶路面間的接觸參數(shù)。建立了平坦路面、20°斜坡、300mm障礙、20°邊坡的虛擬路面(圖5)。圖5仿真路面Fig.5Roadsimulation

3地質(zhì)災(zāi)害防治鉆機(jī)不同工況履帶行走仿真與分析

3.1平地仿真分析

開始仿真要先使鉆機(jī)在路面上處于靜平衡狀態(tài)，然后在0.5s時(shí)給樣機(jī)設(shè)定一個(gè)650mm/s(2.3km/h)的初速度，驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)樣機(jī)在平坦路面上行駛。通過RecurDyn動(dòng)力學(xué)仿真得到該行駛過程機(jī)體質(zhì)心豎直方向的位移曲線，仿真路面為粘土，鉆機(jī)落到地面會(huì)發(fā)生沉降，在0.5s左右時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)，鉆機(jī)行走時(shí)機(jī)體質(zhì)心在豎直方向的位移最大波動(dòng)振幅為3mm，波動(dòng)非常小，顯然地質(zhì)災(zāi)害防治鉆機(jī)在平坦路面上行駛進(jìn)非常穩(wěn)定。圖6b為平坦路面行駛時(shí)鉆機(jī)機(jī)體質(zhì)心速度曲線，鉆機(jī)在達(dá)到靜平衡后開始起動(dòng)、加速，在1.5s時(shí)速度達(dá)到650mm/s，而后機(jī)體以該速度穩(wěn)定的行駛，速度值的波動(dòng)在630～670mm/s之間，最大振幅為40mm/s，未對鉆機(jī)的正常行駛造成影響，可見鉆機(jī)的在平坦路面行走時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。

3.220°斜坡仿真分析

同樣使鉆機(jī)先達(dá)到靜平衡狀態(tài)，設(shè)定使鉆機(jī)從0.5s開始運(yùn)動(dòng)加速加到1.5s速度達(dá)到650mm/s，圖7為鉆機(jī)樣機(jī)在20°斜坡行駛時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型。從圖8a中可看出鉆機(jī)樣機(jī)在0～2.2s之間是一個(gè)平路靜平衡及平路行駛的一個(gè)階段，基本特性與平坦路面行駛相同，不再討論;在2.2～10.5s是爬坡階段，這個(gè)過程中位移出現(xiàn)兩個(gè)不同曲率的位移曲線，第一個(gè)曲率為履帶前緣先接觸到斜坡，履帶后緣仍在平地上，鉆機(jī)被架起，該階段豎直方向位移出現(xiàn)小的規(guī)律波動(dòng)，第二個(gè)曲率為整個(gè)履帶已完全附著在斜坡上，鉆機(jī)行走平穩(wěn);從10.5s開始鉆機(jī)樣機(jī)在平路上行駛，位移無波動(dòng)，行駛平穩(wěn)。從圖中分析可得鉆機(jī)樣機(jī)在20°斜坡上行駛平穩(wěn)。圖8b的20°斜坡路面行駛機(jī)體質(zhì)心速度曲線反映出:0～2.2s與在平坦路面行駛是相同的;2.2～5.0s鉆機(jī)全質(zhì)量作用在履帶前后兩輪緣上，地面附作力小，阻力大，且滑轉(zhuǎn)率增大，造成鉆機(jī)速度下降為550mm/s，5.0～8.0s履帶完全與地坡道接觸，速度在有規(guī)律的小范圍波動(dòng)，此時(shí)鉆機(jī)樣機(jī)速度略小于仿真設(shè)定速度，8.0～10.5s鉆機(jī)速度出度較大的增大，鉆機(jī)將要水平行駛，履帶平面與水平方向成一定的夾角，鉆機(jī)質(zhì)心開始下落造成質(zhì)心處的速度增大;在10.5～15s間鉆機(jī)在平路上行駛，行走穩(wěn)定。在整個(gè)爬坡過程中鉆機(jī)未出現(xiàn)傾翻，行走穩(wěn)定。

3.3300mm路障仿真分析

使鉆機(jī)先達(dá)到靜平衡狀態(tài)，設(shè)定使鉆機(jī)從0.5s開始運(yùn)動(dòng)加速加到1.5s速度達(dá)到650mm/s。圖9為鉆機(jī)樣機(jī)爬越300mm高障礙路面時(shí)機(jī)體質(zhì)心的曲線，從豎直方向位移曲線和速度變化曲線可知鉆機(jī)成功爬越了該障礙，但機(jī)體在行駛過程中波動(dòng)較劇烈，豎直方向的位移最大波動(dòng)幅度達(dá)到了500mm，速度最大波動(dòng)幅度達(dá)到了1750mm/s，此工況鉆機(jī)的履帶行走穩(wěn)定性較差。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于選用的履帶無懸掛系統(tǒng)，不具備像軍用履帶的平衡肘、減震器、扭力軸等結(jié)構(gòu)，在不平整路面行駛不能起到減震、自動(dòng)調(diào)節(jié)支重輪的高度來適當(dāng)適應(yīng)面的能力。這與鉆機(jī)在進(jìn)行野外生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)的真時(shí)情況相符，當(dāng)鉆機(jī)行走在亂石路上時(shí)振動(dòng)嚴(yán)重。

3.420°邊坡仿真分析

設(shè)定仿真鉆機(jī)樣機(jī)從0.5s開始運(yùn)動(dòng)加速加到1.5s速度達(dá)到650mm/s，圖10為鉆機(jī)樣機(jī)橫向行駛在20°邊坡上的動(dòng)力學(xué)模型。鉆機(jī)樣機(jī)橫向落在邊坡上在沒有給驅(qū)動(dòng)的情況下，在重力的作用下鉆機(jī)有向下滑移的趨勢。從圖11a、b可知道鉆機(jī)樣機(jī)在20°坡道上不管有沒有添加驅(qū)動(dòng)力它都向下產(chǎn)生了滑移，履帶與邊坡的橫向附著力小于鉆機(jī)自身重量在平行邊坡上的分力。分析0～0.5s及0.5～10s這兩個(gè)時(shí)間段，豎直方向及水平方向的位移都相應(yīng)的出現(xiàn)兩種不同的曲率:沒有驅(qū)動(dòng)力的情況下，鉆機(jī)滑移率較大;鉆機(jī)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)存在驅(qū)動(dòng)力，豎直方向與水平方向的向下滑移率反而小了，這與鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)履帶對邊坡粘土的剪切力會(huì)減小橫向附著力相矛盾，需要進(jìn)一步分析與研究該問題。速度的波動(dòng)大小在允許的范圍內(nèi)。鉆機(jī)在邊坡上行駛時(shí)未出現(xiàn)傾翻，但產(chǎn)生了向下滑移，在行走了6.1m的距離后鉆機(jī)向下滑移了0.2m，滑移率為3%在允許的范圍內(nèi)仍可視鉆機(jī)行走穩(wěn)定，但鉆機(jī)在邊坡上的橫向穩(wěn)定性欠佳。產(chǎn)生此類滑移與鉆機(jī)的質(zhì)量、坡角，路面性質(zhì)等因素密切相關(guān)，若要使地質(zhì)災(zāi)害防治鉆機(jī)更穩(wěn)定的行駛在粘土20°邊坡上，鉆機(jī)需要向上稍微調(diào)整一定角度來形成位移補(bǔ)償。

4結(jié)束語

(1)利用虛擬樣機(jī)技術(shù)完成了地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)鉆機(jī)的三維設(shè)計(jì)，證明了鉆機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上合理，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真論證了該鉆機(jī)基本能滿足地質(zhì)災(zāi)害防治中的抗滑樁、邊坡加固、鉆掘生命通道等相關(guān)施工工況的要求，鉆機(jī)具有良好的通過性能。鉆機(jī)在爬20°斜坡及20°邊橫向行走時(shí)不發(fā)生傾翻，越障礙能力欠佳，但不影響鉆機(jī)的正常工況的快速移機(jī)動(dòng)作，GDZ－300L地質(zhì)災(zāi)害防治鉆機(jī)具有良好的行走能力及行走穩(wěn)定性。

(2)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對地質(zhì)災(zāi)害防治設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，具有明顯的優(yōu)勢，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，提高設(shè)計(jì)效率，減小設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本。為今后繼續(xù)設(shè)計(jì)與制造相關(guān)設(shè)備儲(chǔ)備技術(shù)力量。

作者：黃曉林奎中單位：中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所