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全地形双节履带车辆斩腰转向稳定性分析

更新时间:2009-03-28

车辆的转向稳定性是评价工程车辆机构性能的重要指标。全地形双节履带车辆是由铰接机构将前后两节履带车体连接而组成的。由于履带的接地比压相对较低,同时又借助铰接机构转向效率高的特点,使全地形双节履带车辆能够适应在各种复杂土壤环境[1]中的行驶。

正是由于全地形双节履带车辆的广泛应用,其转向稳定性已越来越引起学者们的关注和研究[2-5]。文献 [6]研究了铰接履带车辆的转向及俯仰性能,但并未说明车辆的斩腰转向问题;文献 [7]对全地形双节履带车辆的爬坡性能进行了分析;文献 [8]讨论了铰接式车辆原地转向的动态数学模型,但作了过多的理论假设。

从腐败的菠萝酒中分离得到4种腐败菌,经初步鉴定为细菌,分别为1号、2号、3号和4号,余甘果果肉对1号、2号和4号细菌具有较为强烈的抑制作用,抑菌圈直径分别为15.5 mm、12.8 mm和11.5 mm,对3号细菌无抑制作用。结果表明,余甘果果肉具有抑制菠萝酒腐败的潜力。通过实验表明,余甘果能够辅助乙醛脱氢酶降解乙醛,只添加乙醛脱氢酶时,乙醛的转化率为46.16%,同等条件下添加余甘果以后,乙醛的转化率为51.18%,转化率提高了5.02%。余甘果果肉的最适添加量为1.5 g/5 mL 40%乙醛(即0.3 g/mL 40%乙醛),余甘果和乙醛脱氢酶的最适作用温度为37℃。

综上分析,虽然在对全地形双节履带车辆的转向稳定性进行研究时,可以借鉴相应的履带车辆转向动力学模型[9-10],但其在松软土壤条件下的斩腰转向过程本质上是不同于一般履带车辆的,需区别对待。斩腰转向是全地形双节履带车辆特有的作业过程,是全地形双节履带车辆在速度为零时,依靠转向液压缸克服地面的阻力矩来完成的。虽然斩腰转向的转向半径最小,但转向受力却最大。因此,斩腰转向对全地形双节履带车辆的转向稳定性有很大的挑战[11]

20 nm厚薄膜随着激光的不断辐照,其反射率在10 s左右开始降低,并最终于15 s降低至某一稳定值.而40 nm和60 nm厚薄膜则随着激光辐照,同样也在辐照10 s 左右反射率开始升高,辐照15 s左右升高至一稳定值.为了避免薄膜基底对实验结果的影响,对Al2O3基底进行了同样条件下的辐照测试,发现基底对10.6 μm激光也始终保持几乎不透,而反射率则一直稳定在0.51附近,说明基底在三组薄膜受10.6 μm激光辐照相变特性中没有影响到透过率、反射率变化的实验结果.

笔者针对全地形双节履带车辆的特点,讨论了全地形双节履带车辆在松软土壤条件下的转向过程,给出了全地形双节履带车辆斩腰转向的数学模型,并运用 RecurDyn 和 AMESim 进行联合仿真分析,得出了全地形双节履带车辆在硬质地面、雪地、重黏土、黏土和干沙路面上斩腰转向时转向铰点的最大和最小驱动力矩,以及斩腰转向时前车体侧倾角和后车体侧倾角的变化情况,研究了稳态转向的变化规律,并进一步研究了全地形双节履带车辆在松软土壤条件下斩腰转向时的稳定性。研究结果对全地形双节履带车辆的设计和转向控制提供了理论依据。

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1 全地形双节履带车辆转向分析

全地形双节履带车辆的转向性能有别于其他履带式车辆的转向性能。它不是单纯凭借履带内侧制动和外侧驱动来实现转向,也不仅是凭借履带内侧反转和外侧正转来实现转向,而是借助铰接机构的转向液压缸的伸缩来实现转向的。因此,全地形双节履带车辆具有转向半径小及转向效率高等优点。

  

图1 铰接机构结构示意Fig. 1 Structural sketch of articulated mechanism

 

1. 全地形铰接座 2. 全地形铰接架 3. 左转向液压缸4. 右转向液压缸

如图1所示,全地形双节履带车辆的铰接机构由全地形铰接机座、全地形铰接架及左、右转向液压缸(大小相同) 等组成,且两个转向液压缸的运动互不干涉。当全地形双节履带车辆做转向运动时,左、右转向液压缸分别进行伸、缩运动,产生推力和拉力,推动全地形双节履带车辆前、后车体相对转过一定的角度,完成转向动作。由于转向液压缸的推力和拉力,使全地形双节履带车辆不需要以牺牲速度为代价来完成转向,从而提高了转向效率。同时,由于铰接机构可以使前、后车体相对转过一定角度,因此,全地形双节履带车辆的转向半径较小。正是由于其既具有转向半径小和转向效率高的特点,又具有履带接地比压低等优点,使得全地形双节履带车辆能够适应在不同地形、不同松软土壤环境下行驶,得到越来越广泛的应用和关注。

2 全地形双节履带车辆斩腰转向的数学模型

从图5可以看出,全地形双节履带车辆在硬质地面上斩腰转向时的驱动力矩为 -203 ~ 231 kN·m,在雪地上为 -254 ~ 221 kN·m,在重黏土上为 -432 ~453 kN·m,在黏土上为 -841 ~ 612 kN·m,在干沙上为 -1 046 ~ 603 kN·m。

式中:D 为液压缸无杆腔直径;d 为液压缸有杆腔活塞杆直径;p 为转向液压缸的液压油压力;h1h2 分别为点 OACBD 的距离。

  

图2 全地形双节履带车辆在斩腰转向时的受力情况Fig. 2 Force state of all-terrain double-section tracked vehicle during waist turning

为了验证所提出的全地形双节履带车辆的斩腰转向数学模型,并进一步分析全地形双节履带车辆在松软土壤条件下斩腰转向的运动规律,利用 RecurDyn和 AMESim 进行联合仿真研究,并给出全地形双节履带车辆斩腰转向和稳定性的分析结果。某全地形双节履带车辆的主要技术参数如表1所列。

 

在食品腐败菌和病原体中具有抑菌作用的化学成分,如醇类化合物和酮类化合物等也存在于花椒的精油中[21],它们会完全抑制金黄色葡萄球菌、炭疽杆菌、枯草杆菌等10 种革兰氏阳性菌以及变形杆菌、炭疽杆菌、霍乱弧菌等7种革兰氏阴性菌的活性。

式中:Mϕ1Mϕ2 分别为前、后车体单条履带的转向阻力矩;Ff 1Ff 2 分别为前、后车体单条履带的滚动阻力;B 为全地形双节履带车辆的履带中心距;Mp 为转向液压缸的推力矩;Md 为转向液压缸的拉力矩。

为了提高全地形双节履带车辆在松软土壤条件下的斩腰转向性能,在 RecurDyn 软件中对上述全地形双节履带车辆进行三维建模和仿真分析。该车辆在松软土壤条件下斩腰转向时的三维模型如图4所示,仿真时各松软土壤的主要特征参数如表2所列。

 

现对全地形双节履带车辆的斩腰转向进行分析。假设前、后车体的质心和几何中心重合,车辆在斩腰转向时的受力情况如图2所示。

  

图3 铰接机构液压缸伸缩示意Fig. 3 Telescoping sketch of hydraulic cylinder of articulated mechanism

由几何关系可知:

 

式中:aOA (OB) 长度;b OC (OD) 长度;θ0OAOC 之间初始夹角;l0 为转向液压缸处于初始位置时的长度 (ACBD 长度);Δl1、Δl2 为左、右转向液压缸伸缩量。

3 数值计算及仿真分析

将前、后车体的运动分解成沿履带方向的运动和绕垂直于地面轴线的转动。根据力矩平衡原理和车辆几何关系,得到全地形双节履带车辆在斩腰转向时的动力学方程:

3.1 全地形双节履带车辆斩腰转向仿真分析

当全地形双节履带车辆进行斩腰转向时,不再需要利用两侧履带之间的速度差进行差速转向,而是利用铰接机构转向液压缸的伸缩来进行转向。铰接机构转向液压缸伸缩示意如图3所示。根据力矩平衡原理,可以得出 2 个转向液压缸在点 O 产生的转向力矩分别为

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表1 某全地形双节履带车辆的主要技术参数Tab. 1 Main technical parameters of a all-terrain double-section tracked vehicle

  

变量前、后车体质量 m1m2 (m1 = m2)/kg履带中心距 B/mm液压缸无杆腔直径 D/mm液压缸有杆腔活塞杆直径 d/mm转向液压缸处于初始位置时的长度 l0 /mm左、右转向液压缸伸缩量 Δl1、Δl2l1= Δl2 )/mm数值30 000 2 000 180 65 983.7 363

  

图4 全地形双节履带车辆的三维模型Fig. 4 3D model of all-terrain double-section tracked vehicle

 

表2 各松软土壤的主要特征参数Tab. 2 Main feature parameters of various soft soil

  

摩擦因数变形模量/MPa土壤变形指数内聚力系数剪切阻力角度/(°)剪切变形模数/mm雪地10.57 5.89 0.6 7.5×10-2 17 25重黏土13.19 692.15 0.13 6.895×10-2 13 25黏土4.186 1×10-2 1.203 4×10-2 0.7 1.72×10-3 29 25干沙4.761 3×10-4 7.660 3×10-4 1.1 4×10-3 28 25

仿真得到该车辆斩腰转向 (即速度为零) 时的驱动力距变化情况 (见图5),并将其与理论模型计算得到的该车辆在不同松软土壤条件下斩腰转向时的阻力矩 (见表3) 进行比较。

原本还有点担心社长对我的心理分析可能会有一点点正确的成分,因此我得仔细回想成长过程中到底是哪里出了差错?

  

图5 全地形双节履带车辆斩腰转向时的驱动力矩变化情况Fig. 5 Variation of drive moment of all-terrain double-section tracked vehicle during waist turning

 

表3 全地形双节履带车辆斩腰转向时的阻力矩Tab. 3 Resisting moment of all-terrain double-section tracked vehicle during waist turning kN·m

  

硬质241雪地291重黏土369黏土510干沙583

斩腰转向是指在全地形双节履带车辆的行走系统无动力输入,即行驶速度为零时,转动方向盘使铰接机构动作,从而使前、后车体相对转过一定的角度。由于驱动力为零,转向时全地形双节履带车辆在松软土壤条件下的所有行驶阻力均由转向液压缸的推力和拉力来提供,因此,斩腰转向工况是全地形双节履带车辆转向中最恶劣的工况。

对比图5和表3可以看出:通过理论模型计算得到的各松软土壤条件下的转向阻力矩与所需要的驱动力矩基本一致,验证了理论模型的有效性;该车辆能够在上述松软土壤条件下完成斩腰转向动作,并且行驶在硬质、雪地、重黏土、黏土、干沙上所需要的转向阻力矩依次增大,在干沙上所需要的转向阻力矩波动最大。

由于全地形双节履带车辆在进行斩腰转向时,无其他动力源输入,因此,全地形双节履带车辆的转向阻力矩均由铰接机构中转向液压缸的液压系统来克服。为了减小转向时液压系统的负荷,当全地形双节履带车辆满载时,应尽量保持一定行驶速度进行转向。

前期准备只是开始,现场汇报才是重头戏。因为胜利测井公司是最晚进入该市场的队伍,于是李淑荣被安排到了最后一个进行汇报。几家测井公司汇报的解释结果几近于标准化答案,胜利测井能有什么秘密法宝?从甲方领导眼中,李淑荣看到了一丝疑虑。早在承接这个项目前,李淑荣就对甲方在该区域的勘探规划、设计等进行了详细了解,她的汇报不仅建立在这口井的具体解释分析上,而且从区域勘探、地质研究等宏观方面给出了中肯的建议。当看到评委脸上充满赞许,甚至竞争对手都流露出赞同欣赏的目光时,李淑荣知道,她们成功了。

3.2 全地形双节履带车辆斩腰转向稳定性分析

为了提高全地形双节履带车辆斩腰转向时的稳定性,防止车辆倾翻,在 RecurDyn 软件中对不同松软土壤条件下的全地形双节履带车辆斩腰转向时的稳定性进行仿真分析。图6、7 所示为全地形双节履带车辆斩腰转向时前、后车体侧倾角的变化情况。

  

图6 全地形双节履带车辆斩腰转向时前车体侧倾角变化情况Fig. 6 Variation of sideslip angle of front section of all-terrain double-section tracked vehicle during waist turning

从图6、7 可以看出:全地形双节履带车辆在硬质路面上斩腰转向时的稳定性最好,其前、后车体侧倾角几乎均为 0°;在雪地上斩腰转向时,车辆的稳定性最差,其前车体侧倾角最大值为 2.4°,后车体侧倾角最大值为 2.7;在其他松软土壤条件下斩腰转向时,车辆稳定性介于在硬质路面和雪地上之间。这说明全地形双节履带车辆在硬质地面、重黏土、黏土、干沙、雪地上行驶时发生倾翻的可能性依次增大,需谨慎驾驶。

  

图7 全地形双节履带车辆斩腰转向时后车体侧倾角变化情况Fig. 7 Variation of sideslip angle of rear section of all-terrain double-section tracked vehicle during waist turning

4 结论

(1) 建立了全地形双节履带车辆稳态斩腰转向的数学模型。该数学模型包含了履带中心距、转向半径和铰点位置等参数,可以准确表征全地形双节履带车辆的斩腰转向过程。

(2) 通过对全地形双节履带车辆斩腰转向过程的仿真分析,发现它在干沙上斩腰转向时,转向阻力矩最大,且在雪地上斩腰转向时,车辆的侧倾角最大,稳定性最差。

参 考 文 献

[1]杨航宇,李爱峰,周明星.基于 RecurDyn 的大型矿用挖掘机履带行走装置动力学仿真 [J].工程机械,2015,46(1):26-31.

[2]陈艳梅,王俊元,杜文华,等.铰接式胶轮车原地转向阻力矩与车轮转角关系研究 [J].煤炭工程,2016,48(3):136-141.

[3]高 玉,申焱华,金 纯.铰接系统布局方案对铰接车原地转向性能的影响 [J].机械科学与技术,2014,33(8):1219-1224.

[4]罗恩志,冯 江,张 敏,等.基于滑转条件下的履带车辆原地转向特性研究 [J].农机化研究,2013(2):240-243.

[5]陈 兵,田 政,尹忠俊,等.履带车辆原地转向特性仿真研究 [J].车辆与动力技术,2011(2):22-24.

[6]成 凯,张 俊,曲振东.铰接履带车转向及俯仰性能研究[J].兵工学报,2012,33(2):134-141.

[7]李 阳,成 凯,任 鹏.基于 RecurDyn 的铰接式履带车辆爬坡性能分析 [J].煤矿机械,2011,32(7):93-95.

[8]汪建春.铰接式车辆原地转向动态数学模型 [J].建筑机械,2008(6):86-90.

[9]汪建春.铰接式装载机原地转向力学分析 [J].煤矿机械,2009,30(3):85-87.

[10]史力晨,王良曦,张兵志.履带车辆转向动力学仿真 [J].兵工学报,2003,24(3):289-293.

[11]薛劲橹,王红岩,迟宝山.履带车辆试验路面统计特性的仿真[J].汽车工程,2012,34(7):647-652. □

 
姚禹,董红丽,常笑鹏
《矿山机械》 2018年第05期
《矿山机械》2018年第05期文献

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