地質災害應急搶險鉆機的履帶行走仿真

前言：本站為你精心整理了地質災害應急搶險鉆機的履帶行走仿真范文，希望能為你的創作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

1GDZ－300L鉆機虛擬樣機建模

1.1履帶虛擬樣機的建立

鉆機的履帶行走機構采用RecurDyn(RecursiveDynamic)進行參數化設計，該軟件是韓國FunctionBay公司開發出的新一代多體系統動力學仿真軟件。RecurDyn中專門有針對履帶設計與仿真的模塊低機動性履帶車RecurDyn/Track(LM)。低機動性履帶包工具箱由鏈輪，法蘭，履帶鏈接，橡膠襯套，輥子護欄和地面剖面庫組成。而且低機動性履帶包有參數化的部件鏈齒輪、單緣輪、雙緣輪等。利用這些部件，可以快速建立低機動履帶車輛，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的結構問題。

1.1.1履帶零部件幾何建模及組裝

GDZ－300L履帶鉆機選用的是BLD3500A型履帶，主要有由履帶板、驅動輪、支重輪、托鏈輪、引導輪、張緊裝置組成。利用RecurDyn的Track(LM)模塊對履帶進行建模，根據鉆機設計時所選用履帶的實際情況確定各個子模型的結構，確定行動部分各零部件的幾何參數、性能參數、安裝位置以及連結方式等。鉆機的履帶虛擬樣機有兩條履帶子系統組成，每條履帶子系統包括1個驅動輪、1個張緊輪、6個支重輪、1個托鏈輪和39塊履帶板，履帶板之間采用雙銷式連接;鉆機采用后置驅動，驅動輪有19個鏈齒。

1.1.2施加履帶子系統內部約束

履帶各零部件之間的約束:結構約束(接觸約束)、力約束、運動約束及剛體碰撞約束等。施加的主要約束包括:驅動輪、張緊輪、托鏈輪、支重輪與履帶支架之間的旋轉約束，定義驅動輪的初始驅動力或扭矩及驅動函數;履帶支架和鉆機機體(此時以子系統的motherbody表示)之間的固定約束;張緊輪與支架之間的移動副約束，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，該約束由軟件自動完成。完整的履帶子系統如圖3所示。

1.2鉆機總成

在RecurDyn模型環境中把建立好的鉆機機體虛擬樣機模型導入其中，RecurDyn會自動將模型各個組件的材料設置為鋼，也可根據實際情況更改各零部件所用的真實材料。為了方便后續的仿真把各個組件合并成一個名為drill的整體，合并后鉆機中的各個組件的質量、體積及各個組件間的位置關系不會發生變化，然而這個合并體的質量和質心是由各個組件共同合決定的。調節兩條履帶的間距為實際值，把這兩條履帶的motherbody都改為drill，這意味著兩條履帶子系統的履帶支架以固體約束方式與鉆機機體連接，形成一個完整的鉆機虛擬樣機系統。鉆機的總重量約6.32t，運輸尺寸長×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

地質災害防治施工現場的道路多為不平整路面，鉆機不可避免的要行駛在路障、坡道及邊坡上，地質災害鉆機的行走穩定性主要表現在成功越過這些不平整道路時不發生翻傾和滑移。因此分別建立平坦路面、斜坡、障礙和邊坡道路進行分析，在RecurDyn的Ground模塊下建立，來近似模擬鉆機實際工作道路———粘土道路，地面參數在履帶系統中定義，每條履帶系統可單獨定義路面和履帶路面間的接觸參數。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地質災害防治鉆機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在路面上處于靜平衡狀態，然后在0.5s時給樣機設定一個650mm/s(2.3km/h)的初速度，驅動鉆機樣機在平坦路面上行駛。通過RecurDyn動力學仿真得到該行駛過程機體質心豎直方向的位移曲線，仿真路面為粘土，鉆機落到地面會發生沉降，在0.5s左右時達到平衡狀態，鉆機行走時機體質心在豎直方向的位移最大波動振幅為3mm，波動非常小，顯然地質災害防治鉆機在平坦路面上行駛進非常穩定。圖6b為平坦路面行駛時鉆機機體質心速度曲線，鉆機在達到靜平衡后開始起動、加速，在1.5s時速度達到650mm/s，而后機體以該速度穩定的行駛，速度值的波動在630～670mm/s之間，最大振幅為40mm/s，未對鉆機的正常行駛造成影響，可見鉆機的在平坦路面行走時具有良好的穩定性。

3.220°斜坡仿真分析

同樣使鉆機先達到靜平衡狀態，設定使鉆機從0.5s開始運動加速加到1.5s速度達到650mm/s，圖7為鉆機樣機在20°斜坡行駛時的動力學模型。從圖8a中可看出鉆機樣機在0～2.2s之間是一個平路靜平衡及平路行駛的一個階段，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，這個過程中位移出現兩個不同曲率的位移曲線，第一個曲率為履帶前緣先接觸到斜坡，履帶后緣仍在平地上，鉆機被架起，該階段豎直方向位移出現小的規律波動，第二個曲率為整個履帶已完全附著在斜坡上，鉆機行走平穩;從10.5s開始鉆機樣機在平路上行駛，位移無波動，行駛平穩。從圖中分析可得鉆機樣機在20°斜坡上行駛平穩。圖8b的20°斜坡路面行駛機體質心速度曲線反映出:0～2.2s與在平坦路面行駛是相同的;2.2～5.0s鉆機全質量作用在履帶前后兩輪緣上，地面附作力小，阻力大，且滑轉率增大，造成鉆機速度下降為550mm/s，5.0～8.0s履帶完全與地坡道接觸，速度在有規律的小范圍波動，此時鉆機樣機速度略小于仿真設定速度，8.0～10.5s鉆機速度出度較大的增大，鉆機將要水平行駛，履帶平面與水平方向成一定的夾角，鉆機質心開始下落造成質心處的速度增大;在10.5～15s間鉆機在平路上行駛，行走穩定。在整個爬坡過程中鉆機未出現傾翻，行走穩定。

3.3300mm路障仿真分析

使鉆機先達到靜平衡狀態，設定使鉆機從0.5s開始運動加速加到1.5s速度達到650mm/s。圖9為鉆機樣機爬越300mm高障礙路面時機體質心的曲線，從豎直方向位移曲線和速度變化曲線可知鉆機成功爬越了該障礙，但機體在行駛過程中波動較劇烈，豎直方向的位移最大波動幅度達到了500mm，速度最大波動幅度達到了1750mm/s，此工況鉆機的履帶行走穩定性較差。這種現象的出現是由于選用的履帶無懸掛系統，不具備像軍用履帶的平衡肘、減震器、扭力軸等結構，在不平整路面行駛不能起到減震、自動調節支重輪的高度來適當適應面的能力。這與鉆機在進行野外生產實驗時的真時情況相符，當鉆機行走在亂石路上時振動嚴重。

3.420°邊坡仿真分析

設定仿真鉆機樣機從0.5s開始運動加速加到1.5s速度達到650mm/s，圖10為鉆機樣機橫向行駛在20°邊坡上的動力學模型。鉆機樣機橫向落在邊坡上在沒有給驅動的情況下，在重力的作用下鉆機有向下滑移的趨勢。從圖11a、b可知道鉆機樣機在20°坡道上不管有沒有添加驅動力它都向下產生了滑移，履帶與邊坡的橫向附著力小于鉆機自身重量在平行邊坡上的分力。分析0～0.5s及0.5～10s這兩個時間段，豎直方向及水平方向的位移都相應的出現兩種不同的曲率:沒有驅動力的情況下，鉆機滑移率較大;鉆機開始運動時存在驅動力，豎直方向與水平方向的向下滑移率反而小了，這與鉆機運動時履帶對邊坡粘土的剪切力會減小橫向附著力相矛盾，需要進一步分析與研究該問題。速度的波動大小在允許的范圍內。鉆機在邊坡上行駛時未出現傾翻，但產生了向下滑移，在行走了6.1m的距離后鉆機向下滑移了0.2m，滑移率為3%在允許的范圍內仍可視鉆機行走穩定，但鉆機在邊坡上的橫向穩定性欠佳。產生此類滑移與鉆機的質量、坡角，路面性質等因素密切相關，若要使地質災害防治鉆機更穩定的行駛在粘土20°邊坡上，鉆機需要向上稍微調整一定角度來形成位移補償。

4結束語

(1)利用虛擬樣機技術完成了地質災害應急搶險鉆機的三維設計，證明了鉆機在結構設計上合理，通過運動學、動力學仿真論證了該鉆機基本能滿足地質災害防治中的抗滑樁、邊坡加固、鉆掘生命通道等相關施工工況的要求，鉆機具有良好的通過性能。鉆機在爬20°斜坡及20°邊橫向行走時不發生傾翻，越障礙能力欠佳，但不影響鉆機的正常工況的快速移機動作，GDZ－300L地質災害防治鉆機具有良好的行走能力及行走穩定性。

(2)采用虛擬樣機技術對地質災害防治設備進行設計與制造相比傳統設計方法，具有明顯的優勢，能及時發現設計缺陷，提高設計效率，減小設計生產成本。為今后繼續設計與制造相關設備儲備技術力量。

作者：黃曉林奎中單位：中國地質科學院探礦工藝研究所