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侧卸装载机满载行走研究

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《机械设计杂志》2015年第十一期

井下履带式侧卸装载机主要用于煤矿掘进工作面,完成煤、岩的装载和短距离行走。由于工作面条件恶劣、底板不平等,容易引起履带式侧卸装载机行走时机身和铲斗的振动,导致司机疲劳、机件损伤和物料抖落[1],影响机器的装载生产率、工作可靠性、使用寿命及人员的健康与安全。目前,对履带车辆最佳阻尼比的研究多采用Adams,DADS等软件进行整机建模仿真,分析底板条件、行走速度等因素对最佳阻尼比的影响,其履带行走速度按非连续变量考虑[2-3]。在仿真和分析时,需要对有关参数进行变量调节,而采用三维建模仿真分析时参数调节不方便,并且实际工作过程中车辆的行走速度是连续变化的,因此,采用便于调节参数的数学分析方法对井下履带式侧卸装载机行走速度按连续变化进行分析十分必要。文中以国产某型井下履带式侧卸装载机(悬挂系统采用阻尼可调式半主动悬挂系统)为研究对象,基于多体系统动力学理论对其进行数学建模,建立整机数学模型。将机身作垂直振动的临界阻尼作为参考值,把减震器实际阻尼值与参考值的比值定义为阻尼比。通过考查不同底板、连续变化的行走速度下减震器最佳阻尼比的变化,以及不同阻尼比对装载机行走平顺性的影响,寻找使装载机满载行走时平顺性最优的阻尼比值(简称最佳阻尼比)。利用Simulink软件建立动态仿真模型,研究得出该装载机在给定工况下的最佳阻尼比。并对简化动力学模型进行Adams/View仿真,通过对比验证确定该方法的可行性和结果的可信度。为改善井下履带式侧卸装载机行走的平顺性提供依据。

1基本假设与简化

为便于建模和计算,对井下履带式侧卸装载机作如下假设与简化:(1)由于支重轮和履带板本身变形很小,故将底板不平度直接作用在支重轮上;(2)半主动悬挂系统简化为机身左右两侧各4个弹簧阻尼系统;(3)将机身的质量等效为履带、支重轮与机体的质量之和,用m1表示;(4)履带行走系统对来自底板的高频激励有一定的滤波作用,能减缓车体的高频振动,因此在研究装载机平顺性时不考虑履带的影响;(5)由于文中所研究装载机工作振动频率在低频段,故将模型进行了降阶简化;(6)将装载机工作装置的质量集中在铲斗大臂和铲斗组成的副质量系统,质量为m2,铲装物料的质量为m3;(7)装载机机身无侧向平移,但有侧倾转矩;(8)装载机结构对于纵向垂直面大体对称;(9)用底板对装载机的等效激励替代装载机的水平运动自由度;(10)由于装载机在满载工况下悬挂系统的损伤程度最大、抖落最严重,故取满载行走工况研究。

24自由度振动模型的建立

以国产某型履带式侧卸装载机为研究对象,取机身质心为坐标原点,竖直方向偏离静平衡位置的距离x为系统的第1个自由度,机身绕质心的俯仰角(以逆时针方向为正)θ为第2个自由度,机身绕质心的侧倾角(以逆时针方向为正)β为第3个自由度,大臂偏离平衡位置的角度α为第4个自由度。工作机构等效刚度、阻尼分别为k1,c1,悬架的等效刚度、原有阻尼依次为k,c,大臂上铰点与质心的水平距离为l,机身的宽度2a,大臂上铰点与铲斗质心的距离为b,大臂上铰点与大臂油缸力作用点的距离为d,机身绕原点的转动惯量为J1和J2,机身、工作装置、铲装物料的质量分别为m1,m2,m3,大臂上铰点与大臂油缸和机身铰接点的距离为e,大臂与机架间的夹角为φ,履带行走机构等效弹簧阻尼系统与机身质心的水平距离分别为l1~l8,机身两侧各4个支重轮受到来自底板的随机激励依次为q1~q8。综上所述,建立振动模型如图1所示。

3仿真分析

3.1底板随机激励模型的建立与合理性验证文中选用Matlab/Simulink仿真,故采用滤波白噪声作为底板输入模型最为方便。根据滤波白噪声的数学模型,建立其Simulink随机激励模型如图3所示。来自该机底板两侧各4个支重轮的随机激励的输入共有8个,且后支重轮输入的激励相对于前支重轮输入激励的时间滞后量[9]Δt=L/v(L为相邻两支重轮水平质心距离,v为行走速度)。由于该装载机工况较恶劣,根据国标GB7031—86,选用F级底板,其底板不平度系数Gh(n0)=14847×10-6m2/m-1,参考空间频率n0=0.1m-1,底板高程的均方根值hrms=0.137m。对底板随机激励合理性验证,即验证底板不平度谱密度与国标功率谱密度之间的拟合程度。图4中光滑曲线是根据国标GB7031—86生成的F级理论功率谱密度曲线,锯齿状上下波动的细实线是由Simulink随机激励模型模拟出的F级功率谱密度曲线。由图4可见,滤波白噪声法模拟出的底板随机激励精度较高。这说明通过Simulink建立的底板激励时域模型可以很好地对底板不平度进行模拟。

3.2仿真结果与分析利用机身质心处垂直振动加速度的加权均方根值arms来反映装载机的行走平顺性,以评价垂直方向振动的剧烈程度。利用总体加权值法计算加速度的加权均方根值。尼比是变化的,并非定值;E级和F级底板条件下最佳阻尼比曲线与原有阻尼比曲线无交点,且装载机行走速度越低,最佳阻尼比曲线与原有阻尼比曲线相距越远;在同一级别底板条件下,对最佳阻尼比曲线向由速度轴和阻尼比轴所在平面投影,所得线段为近似直线;这表明该机以原有阻尼比、在E级和F级底板条件下,以3~7km/h范围内的任意速度行走时,装载机的行走平顺性均未达到最佳效果;在E级和F级底板条件下,装载机行走速度越低,取最佳阻尼比时该机的平顺性改善效果越明显;在相同底板条件下,最佳阻尼比与装载机行走速度接近线性正相关关系。选择该机三挡典型行走速度v=3,5,7km/h,通过已有的E级和F级底板仿真结果,并添加B,C,D,E,F级底板的对比仿真数据(如表1所示)。结果表明,最佳阻尼比与底板级别具有近似二次函数正相关关系。

4模型验证

为了验证模型简化的合理性,根据多刚体动力学理论,基于SolidWorks变量化设计和实体造型技术,完成铲斗、铲斗座、大臂、油缸、机架、半主动悬挂装置、履带行走机构等各零部件的建模、装配、添加约束等,得到履带式侧卸装载机三维模型。通过SolidWorks软件中的COSMOSMotion插件,将三维实体模型导入Adams/View界面,定义材料属性、载荷,以及构件间的接触力、摩擦力和阻尼参数对模型进行适当的简化,得到履带式侧卸装载机的多刚体动力学模型,如图7所示。通过Adams/View模型的后处理模块对仿真数值进行处理,求得v=3,5,7km/h条件下机身质心处垂直振动加速度时域响应曲线,再利用后处理中FFT对加速度时域响应曲线进行数据处理,得到功率谱密度曲线,将加速度加权函数离散化并读入Adams/View中得到加权函数曲线,将自功率谱密度曲线与加权函数曲线的平方做乘积,得到拟合曲线。对此拟合曲线积分,得到最终曲线的最后一点纵坐标值,开方即得到加权加速度均方根值arms[13]。分别取ζ1=0.1,ζ2=0.2,ζ3=0.3,ζ4=0.4,ζ5=0.5时求解相应arms值,将5个点拟合出平滑曲线,读出最佳阻尼比如表3所示。由于随机性影响及Matlab/Simulink与Adams/View中底板随机激励的添加方式不同,两种仿真结果存在误差。但对比图5,图6与表1经计算可验证,两种方法仿真的差值均小于10%,从而验证了假设简化数学模型的合理可靠性。

5结论

(1)用滤波白噪声法,由Matlab/Simulink生成的随机底板不平度激励信号经随机底板谱密度数值验证合理可信,为模拟底板不平度提供了可能。(2)研究表明,在具体工况下,存在使井下履带式侧卸装载机平顺性能最好的最佳阻尼比,该值与装载机行走速度接近线性正相关关系,与底板级别具有近似二次函数正相关关系。(3)通过Adams/View模型仿真,验证了所建4自由度振动模型的有效性,证实了对履带式侧卸装载机数学模型假设、简化手段的合理性及结果的可信性。

作者:李晓豁 吕良玉 王新 刘藏泽 单位:辽宁工程技术大学 机械工程学院

机械设计杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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