（机械电子工程专业论文）摇臂式履带行走机构仿真研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 钴结壳开采技术的研究随着人们对钴结壳的深入认识而日益受到各国的关 注。为了维护我们开发国际海底资源的应有权益，我国有必要向前推进钴结壳开 采技术的研究。钴结壳主要富集于海底海山表面，富集区地形复杂恶劣，这将给 钻结壳开采带来极大的困难，对开采设备提出了极高的要求。而现在研制的锰结 核开采设备不能用于钴结壳的开采作业，必须研制钴结壳开采专有技术和设备。 而钴结壳采掘机是开采系统中最复杂、最关键的设备，技术难度大，它的研 究在我国尚属空白。作为采掘机的关键技术之一的行走机构，它将行走于地形十 分复杂和恶劣钴结壳富集区域。因此必须具备有优良的可行驶性，机动性，牵引 性，稳定性和可靠性，良好的附着性能和爬坡、越障、避障能力。 本文根据深海海山特殊的作业环境，提出了一种新型的摇臂式履带行走机构 方案，根据陆用车辆的设计经验及钴结壳行走机构的主要技术指标，对摇臂式履 带行走机构主要结构参数进行计算。基于a d a m s v i e w 、a d a m s a t v 建立了摇臂式 履带行走机构的虚拟样机模型。同时以钻结壳及基岩的土工力学特性和行走微地 形参数为基础，根据a d m a s 佾= r 、r 中的地形和底质参数软件，建立符合基岩物 理力学特性和行走微地形参数的平地、障碍、沟、坡、以及各类组合地形等虚拟 地形。并进行了摇臂式履带行走机构典型工况的行驶性能仿真研究，对各典型工 况相关运动学、动力学参数进行了分析，对其性能作出了评价与预测。 最后利用具有摇臂悬挂结构的六轮车对摇臂式履带行走机构建模方法进行 了实验验证。 仿真分析结果表明，新型摇臂式履带行走机构建模正确，仿真结果真实，能 平稳通过合同所规定的地形指标。顺利实现爬越垂直障碍，且越障高度大于履带 高及滚轮半径；摇臂悬挂结构能有效降低由地面不平引起的车体不平稳；能顺利 实现爬越陡坡，爬坡过程平稳；能顺利实现平地转弯，具有良好的转向灵活性和 机动性。 实验结果表明，在具有真实边界条件的情况下，摇臂式履带行走机构a d a m s 建模方法能反映现实模型 关键词钻结壳；行走机构；摇臂悬挂；a d a m s a t v 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o g n i t i o no ft h el m p o r t a n c eo fc o b a l tc r u s t ，m o r ea n dm o r e c o u n t r i e sc o n c e n t r a t eo nc o b a l tc r u s tm i n i n g f o rp r o t e c t i n go u r c o u n t r i e s m a r i n er i g h t sa n di m e r e s t s ，w es h o u l db o o s tt e c h n o l o g i e so n d e 印s e ac o b a l tc r u s tm i n i n g c o b a l tc r u s tm a i n l ye x i s t so nt h es u r f a c eo f m a r i n eh i l l s s oi tb r i n g so u tl o t so f t e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s a n dh a v eh i g h e r r e q u i r e m e n to nm i n i n ge q u i p m e n t s t h ee x i s t i n ge q u i p m e n to nn o d u l e s c o l l e c t i n gc a n tm e e tt h ed e m a n d so fc o b a l tc r u s tm i n i n g ，s ow eh a v et o d e v e l o ps p e c i a le q u i p m e n t sa n dt e c h n o l o g i e s t h em i n e ri st h em o s tc r i t i c a la n dc o m p l e xp a r to fam i n i n gs y s t e m a n dt h em o s ti m p o r t a n tp a r to fam i n e ri st h er u n n i n gm a c h i n e t h e r u n n i n g m a c h i n ew a l k so n c o m p l e xt e r r a i n ，a n dc a r r y i n gm a n y e q u i p m e n t s s o t h e r u n n i n g m a c h i n eh a st h e p e r f o r m a n c e s o f m a n e u v e r a b i l i t y , t r a c t i o n w h e t h e rt h em i n i n gs y s t e mc a nm i n i n g s u c c e s s f u l l yo rn o td e p e n d so nt h ep e r f o r m a n c e so ft h er u n n i n gm a c h i n e t h em o s tc r i t i c a lp a r t so far u n n i n gm a c h i n ei st h er u n n i n gg e a ra n d s u s p e n s i o n t h ec o n t e n t so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： a c c o r d i n gt ot h eu n i q u ee n v i r o n m e n to fm a l i n eh i l l s ，t h ep a p e r p r o p o s e san e wd e s i g no f r u n n i n gm a c h i n e t h en e wr u n n i n gm a c h i n eh a s s i xr u n n i n gg e a r sa n dr o c k e r - b o g i es u s p e n s i o n a n dc a l c u l a t et h ec r i t i c a l p a r a m e t e r so f t h er u n n i n g m a c h i n e b a s e do nt h et h e o r yo fm u l t i r i g i db o d y , c o n s t r u c tt h ed y n a m i c m o d e lo ft h er u n n i n gm a c h i n e a n dd e s c r i b et h ev e h i c l e - t e r r a m e c h a n i c s o f t h em a r i n eh i l l s 。 b a s e do nt h ea d a m s v i e w , k d k 嗵s a t v , c o n s t r u c tt h ev i r t u a l t y p em o d e lo f t h er u n n i n gm a c h i n e a c c o r d i n gt ot h ev 如i c l e - t e r r a m e c h a n i c sa n dl a n d f o r mo ft h eh i l l s c o n s t r u c tt h ev i r t u a lt y p eo ft h em a r i n et e r r a i n ，i n c l u d i n go b s t a c l e s ， d i t c h e s ，s l o p e c o n d u c tt h es i m u l a t i o no ft h er u n n i n gm a c h i n ew a l ko fv i r t u a lt y p e l a n d s a n da n a l y s i ss o m ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sp a r a m e t e r so ft h e v e h i c l e p r e d i c ta n de v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h er u n n i n gm a c h i n e v a l i d a t et h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i n gt h ev i r t u a lt y p em o d e lb y 堕盔堂堡主堂堡垒皇型塑里! 垒! 羔 e x p e r i m e n t s t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h en e wr u n n i n gg e a r s t 九l c t u r ec a nm e e tt h ed e m a n d so fd e e ps e ac r u s tm m m g l h er u r m m g g e a rc a nc l i m bv e r t i c a lo b s t a c l e s ，d i t c h e s ，s l o p ss m o o t h l y t h er u n n i n g g e a rh a sg o o dp e r f o r m a n c eo fm a n e u v e r a b i l i t y t h ee x p e r i m e n ts h o w s t h a tt h ep r o c e s so fc o n s t r u c i n gt h er u n n i n gg e a rs t r u c t u r e i sc o r r e c t k e yw o r d s ：c o b a l t c r u s t ，r u n n i n gg e a r , r o c k e r - b o g i e s u s p e n s i o n ， 心黼| k 烈 m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：鳖日期：塑2 年上月三弱 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：量堡查：导师签名三复2 日期：出上月堕日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 前言 i i 1 课题背景 第一章绪论 大洋富钴结壳是现代海洋中最具潜在经济价值的矿产类型之一，对它的调查 和研究早已为各发达国家所关注。它除含m n 、f e 、n i 、c u 等有价金属外，富含 c o 以及p t 等稀贵金属 i , 2 , 8 1 。与大洋锰结核相比，具有更高的潜在经济价值，钻 结壳中c o 的品位是锰结核矿中的2 5 倍以上，一般都大于o 5 1 1 】；钴结壳赋存 水深较浅，一般为3 0 0 3 5 0 0 m 4 ：广泛分布于各海洋国家2 0 0 海里专属经济区 内，覆盖率高，贮量巨大，据不完全统计，仅太平洋西部火山构造隆起带上，富 钻结壳矿潜在贮量就达到了数亿吨，钴金属含量达数百万吨 8 】；而且开采时对生 态环境的影响b | 5 。 1 9 8 1 年，德国克劳斯塔尔大学h a l b a c h 教授领导的中太平洋考察队首次发现 并证实在太平洋8 0 0 2 5 0 0 m 水深的海底平顶山山坡或平顶上存在大面积的具有 巨大潜在经济价值的钴结壳矿床1 3 】。自此，世界各国纷纷将注意力转向大洋海山 区的钴结壳上，并展开了钴结壳的勘查、成因研究、采集方法和冶炼技术的研究 与开发。 根据专家预测，本世纪中叶有可能进入钴结壳的商业开采阶段【圳。钴是重 要的战略物资，它被应用于高速切削工具，高温耐磨材料，炮弹、透平机及喷气 发动机的超高温合金材料，高性能磁性元件如计算机磁盘、磁带与脱硫用催化剂 等睁6 】。目前钴的生产主要集中在中南非洲，而且陆地上的钴矿床含钴在o 1 以 上的矿床不爹。我国人口众多，矿产资源人均占有量远低于世界人均水平， 陆地铜、镍、钴、锰4 种金属的工业储量远远不能满足国民经济建设的需要【3 1 。 根据地矿部和原有色金属总公司向国家提交的我国主要有色矿产资源对2 0 1 0 年国民经济建设保证程度论证报告( 1 9 9 6 ) ，对铝、铜、铅、锌、钨、铝、镍、 锑、钴、稀土、银和铂族金属等1 3 种矿产资源保证程度划分为4 类，如表1 1 所示【1 0 】： 从表l l 中可以看出，到2 0 1 0 年以后，我国主要有色金属矿产资源保证程 度将相当紧张，尤其是c o 和p t 金属，大部分钴主要依赖进口。随着经济的发展， 我国对钴的需求量将越来越大，特别是计算机所需磁性材料对钴的需求将增加 翻。钴对于整个国民经济持续、稳定和协调发展有着全局性的重大影响，因此开 发大洋富钴结壳资源具有极为重要的战略意义和巨大的潜在经济价值。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 表1 12 0 1 0 年1 3 种有色金属资源保证程度分类表 类型资源保证程度金属名称解决途径 l短缺钴和铂族金属 进口解决 2不能保证 铜、镍、银铜要长期进口补缺 3基本保证铝 可以保证，并有 铅、锌、钨、钼、 4 部分出口锑、锡、稀土 由于一些客观原因，我国对富钴结壳的调查起步较晚。1 9 8 7 年“海洋四号” 科学考察船在执行h y 一8 7 l 航次调查任务中首次采获了数百公斤富钴结壳样 品，但并未开展深入研究嘲。直到1 9 9 7 1 9 9 8 年间中国大洋协会在借“大洋l 号”和“海洋4 号”两艘科学考察船对我国圈定多金属结核矿区详勘之便，组织 了有关科研人员对中太平洋海山富钴结壳赋存区进行了初步勘查和研究嘲。同时 开展了钴结壳的冶炼加工技术研究，长沙矿冶研究院和北京矿冶研究总院分别开 展了火法一水法冶炼探索试验及亚铜离子氨浸法处理大洋钴结壳试验【“。 在海洋采矿技术方面，我国深海采矿技术经过“八五“九五”的研究，已 在多金属结核采矿车研制、扬矿系统、水面系统、测控系统研究等方面取得重大 进展。“九五”期间，采矿车已通过水池采集试验和湖试【1 1 】。 中国是个海洋国家，是一个发展中国家，积极参与这一领域的勘探开发活动 和有关的国际事务，打破西方国家对“人类共同继承财产”的垄断，把握海洋科 学的发展方向，全面振兴海洋事业，维护海洋权益，并发展了我国自己的海洋高 新技术，符合我国的经济利益。中国大洋矿产资源研究开发协会在其制定的国 际海底区域研究开发“十五”计划和国际海底区域研究开发“十五”立项指 南中均将“钴结壳资源评价与研究”( d y l 0 5 - - 0 1 ) 和“钻结壳采集模型机关键 技术及装备研究”( d y l 0 5 - - 0 3 - - 0 2 ) y r 为开发研究的重点项目 7 1 。 1 1 2 大洋富钴结壳的赋存环境 富钴结壳调查区前期调查靶区位于中太平洋海岭，为第三纪至晚白垩世期间 海底玄武岩浆喷发形成的海山，相对高度为6 0 0 3 0 0 0 m 。这些海山经后期改造， 多为平顶山状嗍。经过对中太平洋海山富钴结壳赋存区初步勘查( 侦察性调查) ， 找到了一片钴含量较高、覆盖率和丰度较大的远景矿区。 ( 1 ) 水文嗍远景矿区的温、盐、密、声速呈稳定的大洋垂直结构，区内大 部分海域位于赤道逆流带，表层流以东向为主，平均流速04 o 6 s ，底层流 的流向主要取决于地形和海潮。 ( 2 ) 气象【哪远景矿区位于太平洋副热带高压南缘及赤道低压槽的过渡带 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 中。一年分为二季，冬季受北半球副热带高压南缘的东北气流带控制，盛行东北 信风和信风涌浪，夏季由于副热带高压和热带幅合带的北移，频繁受热带低气压 和热带气旋的影响，气温高、湿度大、降水多，具热带幅合带海洋型气候。6 1 0 月气候较好，盛行东一东南风，风力小、风向不定。 ( 3 ) 结壳赋存状态 8 1 结壳大多呈斑块状赋存于硬质基岩面上，少数为不规 则球状、块状、盘状、板状和瘤壳状，厚度一般为2 6 c m ，在水深8 0 0 1 5 0 0 米的高集区，壳厚可增到1 0 2 0 c m 。结壳的表面形状各异，从平滑、多孔到瘤 状，其厚度和产出率均随深度增大而变小。具有三层构造特征，从上至下第一层 为褐煤状层，第二层为多孔状层，第三层为黑亮层。 ( 4 ) 钴结壳金属元素组成【8 】钴结壳中的元素和氧化物的含量大致可分为四 组。主要元素：钴、镍、锰、铜、铁：伴生元素：金、银、铂、钽、铑、锇、铱、 钼、钨、铅、镉、铋、锡及稀土元素：有害元素：硫、砷、磷、氟；氧化物：s i 0 2 、 a 1 2 0 3 、f e o 、m g o 、c a o 。 现场测试主要金属含量大致为：c o0 6 1 ，n i0 4 o 8 ，c u0 0 6 01 ，m n1 8 2 4 ，f e1 2 1 4 。结壳覆盖率达7 0 1 0 0 ，丰度约为3 0 7 0 k g m 2 ，具有良好的工业储量。 ( 5 ) 基岩( 或母岩) 8 1 太平洋钴结壳的基岩主要有玄武岩、火山碎屑岩、泥 灰岩、火山砾石碎块等。 1 1 3 课题来源与研究目的 本课题来源于中国大洋协会“十五”深海技术发展项目“钴结壳采集模型机关 键技术及装备研究”( d y l 0 5 3 2 ) 以及“国家自然科学基金项目”深海 作业机器人在海底复杂阻尼耦合作用下稳定行走机理研究( 项目编号： 5 0 2 7 5 1 5 2 ) 。 随着人们对钴结壳的深入认识，钴结壳开采技术日益受到关注。钴结壳采矿 机是钴结壳开采系统中最复杂、最关键的设备之一。作业行走车作为钴结壳开采 系统中的载体，它的正常行驶与否，直接决定着钴结壳开采的成败。由于海底钴 结壳赋存的海山表面具有其极其复杂的特殊的地形地貌，对于采矿机的作业行走 车结构、行驶性能、作业性能和可控性提出了非常高要求。因而，有必要对采矿 机的作业行走车进行深入开发，而行走车中技术难度最大的是行走机构和悬挂装 置。行走机构行走于地形十分复杂和恶劣钴结壳的富集区域，因而必须具备有优 良的可行驶性，机动性，牵引性，稳定性和可靠性，良好的附着性能和爬坡、越 障、避障能力，按开采路径行走，并满足环境保护的要求。故行走机构和悬挂装 置以及作业平台的研究显得尤为重要和突出 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 钴结壳作业车及行走机构的研究现状 1 2 1 陆用车辆行走机构研究现状 大量的工程、军事、越野车辆等陆用车辆具有良好性能的行走机构及高越障 性能的悬挂机构。其中，在军事方面，广泛使用履带车和铰接式履带车来通过野 外复杂地形。在航天方面，美国的火星探测车和研发的月球探测车，采用具有高 越障性能的悬挂机构。 履带式行走机构在大量的军事车辆中，广泛使用履带车和铰接式履带车 来通过野外复杂地形。图1 1 为瑞典赫格隆和桑纳公司生产的b v 2 0 6 系列全地形 运输车，该车系是一种多用途的全地形运输车，能在包括雪地、沼泽等所有地形 上行驶。该车的结构特点是采用活动铰节式双车厢结构，即由两节车厢组成，车 身之间用转向装置连接。每1 节车厢由底盘和车身组成。底盘部分由中央梁、侧 传动和行动装置总成组成。4 个独立的行动装置总成可互相替换。该车满载时可 拖1 辆总重为2 5 t 的拖车在任何道路环境下行驶，后车厢可轻易地更换以作特殊 用途。 图1 - 2 为一种具有车轮、履带结构的半履带车辆。此结构需要有导向、转弯 机构，使整车结构变得复杂。 图1 - 1 瑞典b y 2 0 6 系列全地形运榆车 图l - 2 半履带车辆 轮式行走机构轮式行走机构在相对平坦的地形中具有相当的优势，同其 它行走方式相比，其运行速度快，控制也较简单，故其应用较广，尤其是在陆地 上及一些特殊用途探测车上。如在美国的“阿波罗”1 5 、1 6 、1 7 号和前苏联的 “月球”1 7 、2 l 号探测器探月过程中所使用的月球探测车移动系统均为轮式行 走机构，同时美国喷气推进实验室开发研制的一系列火星探测车如r o b b y 、 g o f o r 、r o d 碍系列，登上火星的“旅居者”和“索杰纳”等火星探测车也均采 用轮式行走机构，如图1 3 、图l _ 4 轮式行走机构运行迅速、平稳，尽管其比 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 较适合平缓的环境，但可以通过选择合适的悬架系统来使其适应凹凸不平的地 形。 图1 - 3r o c k y 8图1 - 4 “索杰纳”火星探测车 其他行走机构目前已开展的相关研究包括步行式、r o v ( r e m o t e o p e r a t e dv e h i c l e ) 式等。其中步行式在国内外还处于起步研究阶段。它的最突 出的优点是能够自动适应不同的环境【”，但步行机的能量效率大大低于轮式和 履带式车辆，更低于具有类似结构的动物，因此出现了通过仿生研究螃蟹来提高 步行机的性能的研究方法【诣】，提出了采取优化步行机结构及优迭行走机构和采 取协调最优能量分配等方法来降低步行机的比能耗，研究表明采用驱动力矩最优 分配，可避免能量内耗，使驱动能量最优。 r o v 是浮游式有缆水下机器人中应用最广的一种，它们悬浮在水中，而不 受地形和地质的影响。 1 2 2 钴结壳开采的研究现状 2 0 世纪8 0 年代以来，钴结壳已成为大洋多金属矿产资源研究的热点，美、 德、日、俄等发达国家纷纷投入巨资积极开展钴结壳资源的勘查及开采、冶炼加 工技术等的研究，印度、韩国等少数发展中国家亦不甘落后，业已开展了对该类 矿产资源的调查和开采研究工作富钴结壳开采方法的研究中既参考了陆地开 采、海底石油开采、深海潜水器等方面的技术成果，也大量借鉴了多金属结核开 采方法时所取得的经验。 至今为止，除了日本坚持的连续绳斗法( c l b ) 开采试验外，其他国家均处 于方案研究阶段。c l b ( c o n t i n u o u sl i n eb u c k e t ) 是将挂着桶斗的合成纤维缆绳 由船尾放入海中，由船头回到船上，在海底与船上构成一个封闭环。在合成纤维 缆绳上每隔一定距离悬挂1 个桶斗，缆绳由船上的的摩擦轮拖动，带动桶斗在海 底运动，刮取矿物，并提升到船上。c l b 最早用于多金属结核开采，现拟移植 到钴结壳的开采上，如图1 5 所示。1 9 8 5 年日本海洋资源委员会组织了用c l b 法试验开采洋底钴结壳矿床，试验海域在夏威夷群岛东南水深4 3 0 0 0 4 9 0 0 m ， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 聚丙烯缆绳直径8 5 r a m ，全长1 3 0 0 m ，每隔6 0 m 挂一个网状桶斗，尺寸长1 4 m ， 宽o 8 m ，高o 4 m ，连续开采4 h ，采出4 t 钴结壳，每斗7 5 k g 。 图卜5c l b 采矿系统 对c l b 法的一般看法是工艺简单，投资少，在海面以下没有电器部分。但 它有致命的弱点，即无法有效控制桶斗的运行轨迹，因此，会丢失大量的资源； 或者过多的铲取基岩和沉积物，增加贫化；还可能出现空斗或浅斗，使生产能力 波动及无法保证达到设计能力。 美国已将研究与开发重点由多金属结核开采转移到钴结壳矿床开采上来。目 前普遍认同钴结壳开采方法是自行式海底作业车和管道提升系统，整个系统由自 行式海底作业车，软管、缓冲仓、钢管及水面船只所组成【1 4 1 。1 9 9 5 年，j o h nh a l k y a r d 在“海洋工程及其环境”国际会议上提出了开采钴结壳的采矿车设计方案和有关 技术问题，其推荐的采矿机结构如图所示，宽8 m ，长1 3 m ，高6 m ，自重( 空 气中) 1 0 0 t ，推进速度2 0 c m s 。采矿机配有8 个行走履带，以适应地形多变的要 求。采用带截割刀刃的切割头与可上下调节工作高度的大臂来破碎钴结壳。为了 适应微地形的起伏，一排共装置6 割带切割头的大臂，如图1 - 6 。 此外俄罗斯提出了一种自行式钴结壳采矿机，采用铰刀机械式采掘头和四轮 行走机构。 目前我国正在开展钴结壳采集模型机关键技术及装备的研究，对采集头采掘 技术和集矿技术等关键技术进行了可行性研究，以及行走方式的虚拟研究，此课 题正处在研究之中。在行走方式的研究方面，主要开展了履带式、轮式、迈步式、 浮游式行走方式的虚拟研究等，对各类行走机构的行走性能进行研究与讨论。其 中，在广泛对国内外应用于陆地上复杂地形的履带车的结构和行驶性能进行研究 分析的基础上，设计了二种具有良好通过性能的铰接式履带车为履带式行走方式 的研究对象，一种铰接式履带车，另一种为复合铰接式履带车，并其行走性能进 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 行了重点研究。 图1 - 6 钴结壳采矿机设计方案 卜动力履带；2 一扩散器；3 - 分选器：4 一提升管；5 一水力集矿头；6 一破碎头 1 3 研究方法 1 3 1 虚拟样机技术 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术 ( 指在某单一系统中零部件的c a d 、f e a 技术) 揉和在一起，在计算机上建造 出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测 产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。 深海钴结壳的开采是一个全新的课题，技术难度大，实验条件差，虚拟样机 技术提供了一种方便的、经济而高效的研究手段。 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特 点和优点【3 1 ) 2 捌： ( 1 ) 全新的研发模式传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种 方法存在很多弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化，它基于 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) ，使产品在概念设计阶段就可以迅速地分 析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、 预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。 ( 2 ) 更低的研发成本、更短的研发周期，更高的产品质量 蚓采用虚拟样机 设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型 ( 即虚拟样机) ，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验( 成本和时间条件 不允许) ，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。 ( 3 ) 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟 ( v i r t u a lc o m p a n y ) 的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资 源的局限性，出现了在一定时间内，通过i n t e r n e t ( 或i n t r a n e t ) 临时缔结成的 一种虚拟企业。为实现并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的敏捷交流尤显 重要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、 反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。 虚拟样机技术作为一项工程分析和预测技术，目前日益显示出强大的生命 力，在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用领域从 汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业，机械电子工业、国防工业、通用 机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。例如，美国航空 航天局( n a s a ) 的喷气推进实验室( j p l ) 使用了虚拟样机技术预报了火星探测器 “探路号”在火星上的着陆，预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器 可能在着陆时滚翻。工程师针对这个问题修改了技术方案，保证火星登陆计划的 成功f 3 1 翊。 国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较有影响的有美国机械动力 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i ci n c ) 的a d a m s ，c a d s i 的d a d s ，德国航天局的 s i m p a c k 【3 2 ) 5 】，其中美国机械动力学公司的a d a m s 占据了市场的5 0 以上。而在 国内，虚拟样机技术的应用研究刚刚开始 3 2 3 5 l ，目前，只有一些大学和科研院所 在进行这一方面的工作。实施这项技术的关键就是如何开发出可信度高的数字化 模型( 即虚拟样机) ，如何等效简化实际工况进行虚拟试验，并在设计阶段就能完 全预测评价产品的各项性能。随着研究工作的不断深入和相关技术的进一步发 展，虚拟样机技术将得到进一步的发展和应用。 1 3 2 多刚体系统动力学 机械系统虚拟样机技术是建立在多刚体系统动力学理论的基础上的。多刚体 系统动力学是近3 0 年来在经典力学基础上发展起来的专门解决复杂机械系统的 运动学和动力学问题的新的学科分支，其主要应用领域是航天运载工具动力学、 地面运载工具动力学、生物力学、机构学和机器入学等。多刚体系统动力学的分 析方法常见的主要有以下几种1 5 9 , 6 0 , 6 1 j ：n e w t o n - e u l e r 方程、以l a g r a n g e 方程为 代表的分析力学方法、r o b e r s o n - w i t t e n b u r g 方法、k a n e 方法、变分方法等。 ( 1 ) n e w t o n - e u l e r 方程它是将系统中刚体作为隔离体分别列写 n e w t o n - e u l e r 方程。该方法使用最为广泛，也最容易被理解，但随着组成系统 的刚体数目的增多，刚体之间的联系状况和约束方式就会变得极其复杂，而铰约 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 束力的出现会使未知变量的数目显著增加。 ( 2 ) 以l a g r a n g e 方程为代表的分析力学方法采用该方法可以避免出现不 作功的铰的理想约束反力，使未知变量的数目减少到最低程度，但随着刚体数和 自由度的增多，动能和势能函数的项数会急剧扩张，求导数的计算工作量庞大， 推导过程繁琐枯燥且容易出错，尤其是若采用传统的独立的拉格朗广义坐标，在 建立系统的动力学方程时会变得非常困难。 ( 3 ) r o b e r s o n - w i t t e n b u r g 方法其特点是利用图论中的一些概念描述多刚 体系统的结构特征，借助图论工具可使各种不同结构的系统能用统一的数学模型 来描述。在该方法中，用有向图的弧来表示刚体与刚体之间的铰，用顶点表示刚 体，联结顶点的有向弧与所联系顶点的关系称为关联，如图1 7 所示。并引进 了关联矩阵和通路矩阵，导出了多刚体系统运动微分方程的一般形式。 b d 取 图l 一7r o b e r s o n - w i t t e n b u r g 方法中的多刚体系统的结构 该方法以十分优美的风格处理了树结构多刚体系统，对于非树系统，则必须 利用铰切割或刚体分割方法转变成树系统处理。 ( 4 ) k a n e 方法该方法最先用于分析复杂航天器，以后发展成为使用范围 更广泛的普遍方法。该方法的特点是以伪速度作为独立变量来描述系统的运动， 既适用于完整约束，又适用于非完整约束，此外，在用该方法建立系统的动力学 方程时既不会出现理想约束反力，也不必计算动能等动力学函数及其导数，而且 推导计算十分规格化，所得结果是一阶微分方程组，因而兼有矢量力学和分析力 学的特点。但它只是一种普遍的方法，必须对每个具体的多刚体系统作具体处理。 ( 5 ) 变分方法变分的力学原理并不是直接描述机械系统运动的客观规律， 而是把真实发生的运动和可能发生的运动加以比较，在相同条件下，从所发生的 很大的可能运动中指出真实运动所应满足的条件，因此，该方法无需建立机械系 统的动力学方程，而是以加速度作为变量，根据被称为拘束的泛函的极值条件， 直接利用系统在每个时刻的坐标和速度值解出真实加速度，从而确定系统的运动 规律。 这些方法的共同点是建立一种通用性的动力学方程，只要用最少量的准备工 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 作就能将动力学方程自动编排出来。因此，多刚体系统动力学的主要研究内容一 般只局限于动力学方程的建立，而方程的处理则由计算机去完成。 1 3 3 基于a d a m s v i e w 、a d a m s a t v 的虚拟样机研究 应用虚拟现实方法具有高效处理复杂多刚体动力学模型的优势。本文对钴结 壳行走机构的分析研究都是在对系统进行了较大简化的前提下进行的。由于钴结 壳采矿机所处的环境包含了多种复杂耦合因素，钴结壳的开采系统也是一个庞大 复杂的系统整体工程，所以，采矿车子实际工作环境和工作过程都会比简化的模 型复杂许多。现有的钴结壳行走机构数学模型都不能准确对实际系统进行描述， 而只能是对行走机构大致运动规律和工作过程做出初步分析，分析所得结论也非 常有限，很难为实际作业行走车的研制和试验提供足够参考。所以，为了能综合 考虑到多种复杂因素对整个系统的影响，准确地对实际行走机构进行描述以及深 入研究该系统工作过程，本文采用虚拟现实方法，建立钴结壳行走机构虚拟样机， 并根据海洋勘察及相关资料，模拟海底海山矿床地貌、水文条件等深海底矿产资 源开采环境，重点分析研究了钴结壳行走机构的行驶性能。 美国m d i ( m c c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司开发的a d a m s ( a u t o m a t i c d y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件是一个机械系统动力学仿真分析软 件，在该软件平台上，可方便地建立机械系统的动力学模型，直观清晰地演示机 械系统的动力学过程。 a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数 化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程 方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析， 输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。a d a m s 软件的仿真可用于预测机械 系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 a d a m s 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便 地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机 分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特 殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。 a t v ( a d a m s t r a c k e dv e h i c l e ) 是基于a d a m s 的一个专门分析履带车辆的工 具箱，作为分析军用或商用履带车辆各种动力学性能的理想工具，它具有在一个 模型中多履带系统、全3 d 能力、不同的拓扑结构、全动力学履带模型以及软、 硬泥土路面接口等特点。为了方便使用，a t v 软件预设了车体( h u l l ) 、主动轮 ( s p r o c k e t ) 、拖带轮( s u p p o r tr o l l ) 、履带( b e i d 、张紧装置( t e n s i o n e r ) 、悬挂 r s u s p e n s i o n ) 等子模型，且每个子模型有多种形式。路面谱模型使用a t v 软件提 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 供的宏命令创建，包括路面的几何形状、附着系数等参数。在主动轮上施加扭矩 或运动学驱动后，就可以仿真模型。仿真模型时，a t v 软件根据模型的参数和 相关约束自动建立数学模型，进行求解，并输出模型任意点的位移、速度、加速 度等运动学参数，以及零部件之间的相互作用力、作用力距等动力学仿真结果。 基于a d a m s a t v 建立钴结壳行走机构虚拟样机模型，并对行走机构行驶 在海山上时，遇到平地、斜坡、障碍和沟槽等典型地形的通过性能和其动力学性 能进行评估。结合实验对比研究，可证明虚拟现实研究方法的可行性。 1 4 本文的研究内容及章节框架 全文思路为：从钴结壳行走机构的技术要求着手，分析摇臂式履带行走机构 的功能和设计方案；然后，进行摇臂式履带行走机构的总体结构设计，建立行走 机构及海山的三维模型，分析行走机构受力情况，得出行走机构的动力学简化模 型；利用a d a m s v i e w 、a s a m s a t v 软件建立摇臂式履带行走机构的虚拟样 机模型，并进行行走性能仿真及分析；最后，用实验方法验证摇臂式履带行走机 构a d a m s 建模方法正确性。 论文的基本框架如下： 第一章绪论，介绍研究背景、钴结壳的开采环境、课题来源和研究内容，综 述钴结壳开采中可能的行走方式的研究现状，以及虚拟样机技术中所用的动力学 分析方法及其在深海采矿中的应用。 第二章通过钴结壳行走机构的功能分析，进行摇臂式履带行走机构的方案设 计，确定了摇臂式履带行走机构的主要结构参数。 第三章建立多刚体动力学的摇臂式履带行走机构模型和三种地面力学模型 进行阐述。基于a d a m s v i e w 、a d a m s a t v 建立符合基岩物理力学特性和行 走微地形参数的各类虚拟地形，建立摇臂式履带行走机构的虚拟样机模型。 第四章虚拟样机模型典型工况的仿真分析，对主要动力学、运动学参数进行 分析，预测了摇臂式履带行走机构的性能。 第五章实验验证摇臂式履带行走机构建模方法的正确性。 第六章介绍主要结论、论文的创新点。 中南大学硕士学位论文第二章摇臂式履带行走机构方案设计 2 1 设计指标 第二章摇臂式履带行走机构方案设计 钴结壳行走机构技术指标f 1 2 】： 表2 - 1 行走机构技术指标 行走速度( m s ) 工作转弯半径( m ) 爬坡( 。) 越障高度( m ) 越沟宽度( m ) 承载量( t ) 行走工况 0 1 o 8 l o 2 0 o 4 o 6 5 直线、转弯、爬坡、越障、越沟 2 2 摇臂式履带行走机构方案 2 2 1 钴结壳行走机构技术要求 在地形复杂的深海海山表面，行走机构的越障和地形适应能力对于钴结壳采 矿机完成采矿作业十分关键。越障能力体现在抗倾覆、爬坡和跨坑道等方面，要 求车体底盘灵活、机动性好；其机动性的关键取决于行走机构的行走方式，包括 底盘结构、机械传动和驱动系统等；地形适应能力主要是指行走机构在深海海山 特定地形条件下可靠行驶的性能，这取决于行走机构的若干结构特性和海山地面 力学特性。 2 2 2 摇臂式履带行走机构方案 到目前为止，深海钴结壳行走机构基本可分为履带式、轮式和腿式等类型。 不同的行走机构各具优缺点。履带行走机构是一种“自铺”路面系统【1 7 1 它是目前研究最多钴结壳采集系统的行走方式，履带式行走方式具有牵引力大， 承载能力高，跨越或绕过海底障碍容易，对海底扰动较小，操纵性和可行驶性机 构能很好地满足软海底集矿作业要求等优剧5 5 】。我国的“九五”进行的采矿车 湖试就是采用矿山研究院研制的履带式行走机构，该履带车为满足结构简单、重 量轻、压陷深度浅、牵引力或附着力大、对海底破坏轻的要求，采用了渐开线齿 中南人学硕士学位论文 第二章摇臂式履带行走机构方案设计 环形橡胶履带，驱动轮、从动轮、负重轮采用双浮动悬挂，以满足越障要求，两 条履带选用液压马达分别驱动，利用速度差转向，采用恒功率液压系统，坡道， 转弯或越过障碍时牵引力增大，行驶速度自动降低，车架采用后横梁中间绞接， 实现两条履带的上下浮动，保证履带车在不平地面上的正常行走。但履带行走方 式的整体机构笨重、复杂，运动分析及控制也十分困难。故需在车身结构总量一 定及不影响行驶性能的请提下对履带系统进行简化设计，通过一定的底盘结构及 悬挂达到减少能耗，增强越障及机动性能的目的。 轮式行走机构在相对平坦的地形中具有相当的优势，同其它行走机构相比， 其移动系统的运行速度快，控制也较简单。但普通的轮式结构车辆，其越障性能 不够高，最大越障垂直高度小于车轮半径。因此需采用合适的悬挂来提高轮式结 构的越障性能及地形适应能力。 根据以上分析，底盘结构及悬挂对于不同的行走方式具有及其重要的作用。 目前，国内外对于适用于复杂地形的行走装置及悬挂结构研究较多的是六轮火星 车的悬挂结构一六轮摇臂悬挂机构，图2 - i 所示。该机构具有良好的通过性【2 1 1 ， 是一种被动变形适应型行驶机构，其地形适应能力较强，具有较好的越障能力和 机动性能。其工作原理和结构：当轮1 的前面有较高障碍时，轮l 首先绕铰接点 a 转动，把轮l 抬起，驱动力主要由轮2 和轮3 产生，使轮l 首先越过障碍，然 后轮2 开始越障，驱动力由轮3 或轮3 和轮1 共同产生，最后轮3 在轮1 和轮2 驱动力的牵引下越过障碍。此结构为六轮驱动，上部机架与悬挂的一侧为铰接， 另一侧为刚性联接，以保持上部平台的平稳，轮1 和轮2 绕