（机械电子工程专业论文）防爆无轨胶轮车三维建模与仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 捅要 防爆无轨胶轮车是一种重要的矿山地下辅助运输设备。它无轨道限制，具有适应 性强、机动灵活、安全高效等优点。矿用防爆自卸车由于其工作环境恶劣，卸载作业 时容易发生侧翻等现象，是自卸车研究中需要解决的重要技术问题之一。 物理样机制造周期长，成本高。采用虚拟样机技术，在计算机上建造产品的虚拟 模型，并根据各种工况进行仿真分析，从而预测产品性能。这种技术不仅能为产品设 计提供参考，而且缩短了产品开发时间，使成本大大降低。 本论文以某型号的防爆无轨胶轮车为例，采用虚拟样机技术和多体系统动力学分 析仿真方法。首先应用三维建模软件p r o e ，对防爆无轨胶轮车的各个零部件分别进行 建模，并完成整车模型的装配。然后探讨p r o e 与a d a m s 两个软件的联合仿真问题， 主要使用m e c h a n i s m p r o 接口模块把防爆无轨胶轮车按实际的运动关系定义为若干个 子系统，实现p r o e 与a d a m s 两软件之间模型数据的传递。最后在a d a m s 软件中 建立了防爆无轨胶轮车的动力学模型，根据各种实际工况进行仿真分析，得出了防爆 无轨胶轮车整车性能的仿真分析结果。 本文提出的基于虚拟样机技术，进行防爆无轨胶轮车整车性能仿真分析和研究， 可供防爆无轨胶轮车设计参考，同时对其它机械系统的仿真分析具有一定的参考应用 价值。 关键字：防爆无轨胶轮车；虚拟样机技术；三维建模；p r o e ：a d a m s ；仿真 a b s t r a c t e x p l o s i o n p r o o f t r u c ki sa i m p o r t a n ta u x i l i a r yt r a n s p o r t a t i o n e q u i p m e n t f o r u n d e r g r o u n dm i n e s b e c a u s ei th a s n ol i m i t a t i o na b o u tt h ep a t h w a y , s oi t h a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha ss t r o n ga d a p t a b i l i t y 、g r e a tm a n e u v e r a b i l i t y 、h i g l ls a f e t ya n de f f i c i e n c y a n ds oo n am i n i n ge x p l o s i o n - p r o o fd u m pt r u c k ，o w i n g t oi t ss e v e r e w o r k i n g e n v i r o n m e n t s i t se a s yt or o l l o v e rw h e ni ti su n l o a d i n g ，s ot h i sh a sb e c o m eai m p o r t a n t p r o b l e mt ob es o l v e di nt h er e s e r a c h t h ep e r i o do fc o n s t r u c t i n gp h y s i c a lp r o t o t y p ei sl o n g ，a n dt h ec o s ti sh i g h t h e r e f o r e ， t h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yo fd u m pt r u c kh a sb e e na p p l i e di nt h i sp a p e r f i r s tt h e v i r t u a lp r o t o t y p eo f p r o d u c to nc o m p u t e rh a sb e e nb u i l t ，a n d t h ed y n a m i cs i m u l a t i o n a n a l y s i sa c c o r d i n gt o d i f f e r e n tc o n d i t i o n sh a sb e e np r o c e s s e dt op r e d i c t st h ep r o d u c t p e r f o r m a n c e t h i sm e t h o dn o to n l yp r o v i d er e f e r e n c e sf o rm ep r o d u c td e s i g n ，b u ta l s oh e l p t os h o r t e nt h ep e r i o do f p r o d u c td e s i g na n d r e d u c et h ec o s t ae x p l o s i o n - p r o o ft r u c kh a sb e e nr e s e a r c h e d i n t h i sp a p e rf o re x a m p l e ，a n dt h e v i r t u a l p r o t o t y p et e c h n o l o g y a n dm u l t i b o d y s y s t e md y n a m i ca n a l y s i s m e t h o da r e c o m b i n e d ： u s i n gt h e3 dm o d e l i n g s o f t w a r ep r o et ob u i l dm o d e l so fa l lt h ep a r t so ft h e e x p l o s i o n p r o o ft r u c k ，a n dc o m p l e t e t h ea s s e m b l yo ft h ew h o l em o d e l v v h e nt h ew h o l e3 dd i g i t a lm o d e li sc o p l e t e d , t h ea u t h o rb e g i nt oe x p l o r et h ej o i n t s i m u l a t i o nb e t w e e nt h et w os o f t w a r e s ，t h e ya r ep r o ea n da d a m s t h em a i nj o bi st o d i f i n et h ee x p l o s i o n p r o o ft r u c ka ss o m es u b s y s t e m sa c c o r d i n gt o t h ea c t u a lk i n e t i c r e l a t i o n , a n du s em e c h a n i s m p r ot or e a l i z et h ej o i n ts i m u l a t i o nb e t w e e n t h i st w os o f t w a r e s t ob u i l dt h ed y n a m i cm o d e lo ft h ed u m pt r u c k ，a n dc a r r yo ns i m u l a t i o na n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o nt oo b t a i ns i m u l a t i o nr e s u l t , a n d e x a m i n et h e f u n c t i o no ft h ew h o l em o d e l t h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dr e s e a r c hm a d ei nt h i sp a p e rc a np r o v i d er e f e r e n c e sf o r r e d u c i n gt h em l l o v e rw h e nt h ed u m pt r u c ki su n l o a d i n g a tt h es a m et i m e ，i th a st h e t h e o r e t i c a lr e f e r e n c em e a n i n gt ot h es i m u l a t i o no fo t h e rm e c h a n i c a ls y s t e m s k e y w o r d s ：e x p l o s i o n - p r o o ft r u c k ；v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ；3 dm o d e l i n g ；p r o e ； a d a m s ：s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 量舅| 置量曼曼量曼曼量曼曼量| 量量量量量量皇曼曼曼曼曼皇量曼舅鼍曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼昌昌量量ii 曼曼曼量量曼曼鲁曼曼量量 第l 章绪论 1 1 课题研究的意义 作为现代物料搬运工具，运输车在现代化工业生产中占据极其重要的地位。防爆 无轨胶轮车是现代物料运输设备的一种，主要应用于煤矿行业。防爆无轨胶轮运输车 在矿用辅助运输中占据非常重要的地位。随着市场需求的不断增大，近年来，我国煤 炭年产量逐年提高。然而我国矿用辅助运输采用机械化的设备起步很晚，自从上世纪 八十年代某些煤矿才开始引进矿用机械辅助运输设备，导致我国矿用机械化运输水平 与世界上其他先进国家有着较大的差距，这对我国煤炭工业快速向前发展产生了不可 忽略的制约作用。防爆无轨胶轮运输车作为一种在现代工业中占有重要地位的物料运 输设备之一，它主要运用于煤矿行业，在煤矿行业中是一种非常重要的辅助运输设备。 防爆无轨胶轮运输车的发展水平决定了我国煤矿行业的发展前景，而煤矿业的发展速 度在一定程度上影响着一个国家的经济发展水平，因此对防爆无轨胶轮车的研究是必 要的，同时也是必须的【”】。 自卸车是一种依靠本身自重迫使车厢回到原位的专用汽车，自身装有液压举升机 构，此机构由自身发动机驱动。通过举升机构的动作，能够将自卸车的车厢卸下和回 位，同时还具有将车厢倾斜一定的角度把物料卸下来的功能和作用。随着社会经济的 不断发展，自卸车也随着更新换代并不断完善以适应市场的需要，并成为现代社会中 运输物料的重要设备之一。自卸车具有其他车辆所没有的优点，那就是可以实现装卸 货物的机械化，正是由于这个优点的存在，使用自卸车可以显著提高劳动生产率并大 幅度降低货物的运输成本。但是我们也不能忽略自卸车的缺点，通常情况下，自卸车 的车厢和车架是分离的，并且车厢一般是开式的，这就导致车厢卸货时刚度较低。同 时所载货物的性质以及天气和路况的不同也会对自卸车造成一定的影响，导致自卸车 在卸载作业时会出现侧翻事故，很有可能造成严重的经济损失和人身伤害。这可以说 是一个相当值得我们重视的安全隐患问题，应该在最大程度上加以避免【3 舢。 根据有关分析统计，影响并导致自卸车发生侧翻现象的因素多而复杂。其中，最 关键的影响因素是下面两个： ( 1 ) 驾驶员操纵不合理，或者是所载货物发生严重的过载和偏载等各种装载不良 现象： ( 2 ) 自卸车所行驶的道路路况不佳。 由上可以得出，在自卸车的设计制造和实际使用过程中，侧翻稳定性分析是最重 要的且是最需要研究解决的问题。为了提高自卸车的抗侧翻能力以减少不必要的事 故，对侧翻情况进行分析计算是当前必需要做的工作。 近年来，虚拟样机技术逐渐成为一种主流技术，虚拟样机是用于替代实际物理样 机的计算机模型，并在计算机上分析测试产品的设计和工作过程，以验证产品设计是 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 否合理以及与实际工作过程是否一致。在制造出实际的物理样机之前就能够代替实际 的物理样机模型实现对产品的虚拟设计及开发测试，大大地降低了产品的开发设计成 本。由于虚拟样机是在计算机上实现的，所以替代实际物理样机参数的虚拟样机参数 可以很方便地进行修改，这样就很容易使得原模型具有多样化和柔性化，大大减小了 制造物理样机的工作量。因而采用虚拟样机技术进行产品的设计、分析以及测试等工 作在现代化工业生产中是一种不可阻挡的发展趋势【扪。 本课题采用虚拟样机技术所建立的自卸车整车模型，能够比较真实客观地反映自 卸车的实际工作情况。并运用动力学分析软件对其稳定性进行仿真分析，得出的仿真 结果能够为减少或者避免自卸车在工作过程中的侧翻所造成各种损失提供一定的依 据。因此可以说本课题的研究结果对提升我国自卸车的技术水平具有一定的实用意义 与价值。 1 2 国内外研究现状 近几年间，由于汽车侧翻事故的发生频率仅仅次于正面碰撞，因此汽车侧翻逐渐 成为一个不可忽视的重要问题。国内外很多学者都对汽车侧翻现象做了很多研究工 作，以期详细了解侧翻规律，从而可以减少或避免侧翻事故的发生。 针对自卸车作业稳定性的研究和分析，国内的众多学者做了很多的研究工作 6 1 。 杨立勇、徐军对悬架和轮胎等因素对侧翻现象的影响进行了着重分析，并对悬架这一 因素的影响进行了突出阐述【7 】；花家寿，刘合法等对静态稳定系数( s s f ) 、侧拉比例 系数( s p r ) 和侧倾试验台比例系数( t t r ) 这三种侧翻极限评估测试方法进行了详 细而深入地论述，并对这三种方法进行了比较哺1 ；高勇伟，王欣欣通过使用动力学分 析软件a d a m s 构建了汽车的整车模型，并且对车辆的直行和爬坡工况进行了仿真分 析，为汽车的优化设计提供了一种全新的方法1 9 1 ；高正国通过考虑影响自卸车作业稳 定性的各种因素，并结合实际建立了自卸车的整车模型，对影响自卸车作业稳定性的 各种情况进行了仿真分析，最终得到侧翻临界值，这是自卸车设计研究的一种新尝试、 新探索【1 0 l ；基于自卸车举升机构的优化设计，朱品昌在a d a m s 软件中对我国国内比 较常见的六种举升机构建立模型，对举升机构各个铰接点的布置问题进行了探索，并 找到了合适的解决办法【1 1 】；胡超，张世杰通过自己的分析研究，找出了自卸车静态侧 翻现象的解决办法【1 2 1 ；王德彬，刘志强通过建立自卸车系统稳定性模型，对引起自卸 车作业稳定性的因素进行了深入地探讨，还进一步通过试验验证并提出提高自卸车作 业稳定性的方法【1 3 1 ；针对自卸车的纵横向作业稳定性，邹本琴进行了较为深入地探讨 f 1 4 1 等等。 相对于国内而言，国外对于自卸车稳定性的研究开始比较早。比如，针对自卸车 作业失稳的原因，t f t a l b o t ，j h a p p l e t o n 进行了较为深入地理论探索【”1 ；l l g i n z b u r g 等结合试验与计算详细分析研究了自卸车作业时的横向稳定性能【1 6 1 ；h p r e m 综合考 虑各种因素的影响建立起非线性模型，并针对大型矿用自卸车的作业稳定性进行较为 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 深入地探索和理论研究【1 7 1 ：d o n g y o o nh y u n 比较深入地研究了自卸车的主动防侧翻技 术【”l ；b j o r nj o h a n n s s o n 等通过能量量测从而来控制车辆的侧翻，并且通过控制车的 底盘施加到轮胎上的力从而使轮胎不与地面脱离【1 9 j ：r a l fe g e r 等人建立了车辆的简 化模型，并在此模型的基础上进行车辆稳定边界问题的研究，为车辆稳定行驶提供依 据【2 0 l 等等。 1 3 课题的研究目标和主要内容 1 3 1 课题的研究目标 本课题的研究目标是根据防爆无轨胶轮车实际设计要求，制定总的设计方案，完 成防爆无轨胶轮车总体参数的确定，并明确各个子系统之间的关系。介绍基于p r o e 软件的防爆无轨胶轮车的整车三维建模，并通过m e c h a n i s m p r o 程序接口将建立好的 三维模型导入a d a m s 软件中，实现p r o e 和a d a m s 两个软件的联合仿真。在 a d a m s 软件中对自卸车卸载工况进行仿真分析，探讨影响自卸车稳定性的因素。 1 3 2 课题的研究内容 通过对防爆无轨胶轮车实际工作情况的调研，运用所掌握的理论知识，采用虚拟 样机技术对防爆无轨胶轮车进行系统设计和仿真分析。 本课题的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析自卸车的侧翻原理及影响其稳定性的因素； ( 2 ) 探讨虚拟样机技术的含义及其工程实现方法； ( 3 ) 使用专业的c a d 软件完成自卸车整车模型的建模工作，并探讨专业c a d 软 件与动力学仿真软件之间的无缝数据连接，实现二者的联合仿真； ( 4 ) 根据自卸车卸载作业特点，对自卸车进行稳定性仿真分析，探讨影响其稳定 性的因素。 1 4 本章小结 本章阐述了矿用自卸车研究的意义，以及国内外关于自卸车稳定性的研究情况， 并对虚拟样机技术进行了必要的说明，最后提出本课题的研究目标以及主要研究内 容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 | 曼量量置童曼曼量喜鼍皇置置鼍量皇曼曼曼皇曼置墨墨ii ii i 曼曼曼曼曼曼曼曼鼍量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅量鲁曼曼皇曼曼曼皇量量量曼量量曼曼曼毫皇置量量皇皇曼曼皇曼皇皇薯 第2 章自卸车侧翻机理分析 2 1 引言 本论文以某厂生产的某种型号的矿用防爆柴油机无轨胶轮自卸车为研究对象，对 其建造虚拟样机模型，并进行仿真分析。 此种型号的自卸车是以防爆柴油机为动力的，是一种重要的用于煤矿的井下无轨 胶轮运输机械，它主要应用于巷道断面不小于4 x 3 m 、坡度不大于1 4 0 的煤矿井下运 输作业，它的主要功能是运送各种物料和矸石等。同时对其它的矿山隧道工程环境也 非常适用。 其主要技术特点如下： ( 1 ) 前后机架采用中央铰接，全液压转向，转弯半径较小，转向轻便； ( 2 ) 运用四轮驱动，牵引性能良好，爬坡能力以及通过能力强，对各种复杂路况 均适合； ( 3 ) 采用液力机械传动，动力换挡，所以其操作极其方便灵活，同时具有很高的 可靠性； ( 4 ) 轮边湿式多盘工作制动，失效安全型紧急及停车制动，极为安全可靠； ( 5 ) 钢板弹簧悬挂，减震性能极为良好； ( 6 ) 实芯充填式轮胎，具有较好的耐磨性； ( 7 ) 废气处理采用水洗式，净化程度高，排气温度低； ( 8 ) 车上配置有电子防爆安全监控装置。 其主要配置和参数如下表所示： 表2 1 某型号自卸车的主要配置和参数 主要配置参数 额定装载质量 发动机功率 传动方式 启动方式 爬坡能力 最高速度 最小离地间隙 最小转弯半径 外形尺寸( ，w h ) 自重 5 t 7 5 k w ( 防爆净功率) 液力机械传动、四轮驱动 气启动 1 4 0 3 3 l o n h ( 空载) ，3 0 o n h ( 满载) 2 1 5 r a m 6 5 0 0 m m 6 5 6 0 x 1 9 6 0 2 0 0 0 r a m 7 5 t 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 2 自卸车概述 自卸车【4 2 1 】能够运用本车自带的发动机作为动力驱动液压举升机构，同时自卸车 的车厢能够倾斜一定的角度卸载所装载的货物，比如煤炭、砂石和矿料等不同类型的 物料，自卸车的车厢能够依靠本身的自重自动复位。 自卸车按照用途的不同大致可以分为两大类：一类是用于非公路运输的重型和超 重型自卸汽车，其装载质量一般是在2 0 t 以上。主要运用于大型的矿山和水利工地等， 通常情况下是与挖掘机配套使用的。此种类型的自卸车也可称之为矿用自卸车，其长 宽高以及轴荷等参数均不受公路法律法规的限制，但是，此种类型的自卸车只能在矿 山和工地上使用。另一种类型的自卸车主要是公路运输作业中所涉及到的轻、中、重 型等普通类型的自卸车，载重量一般在2 - - 2 0 t 的范围之内。主要应用于煤炭、砂石 和泥土等松散型货物的运输，通常是与装载机一起完成运输作业的。 对于某些针对专门用途而设计的自卸车，我们又可以称之为专用自卸车。比如摆 臂式自卸车以及垃圾自装卸车等等。 普通类型的自卸车按装载质量可分为：轻型自卸车、中型自卸车、重型自卸车； 按运载货物倾卸方向分为：后倾式、侧倾式、三面倾式和底卸式；按车厢栏板结构可 分为：栏板一面开启式、栏板三面开启式和簸箕式( 即无后栏板) 。 普通类型的自卸车结构形式为：发动机前置并且采用后轮驱动、前桥为转向桥、 后桥为驱动桥、运用柴油机进行发动、具有五档或者六档变速器、车架为边梁框式、 前后采用纵置的钢板弹簧式非独立悬架、驾驶室多为平头或者长头。在主副车间装有 垫木，通过主副车架连接座和u 型螺栓紧固，副车架与货箱的连接支座处便是连接座 的位置。位于油缸下面的销轴，则是通过油缸的支座铰接固定在副梁油缸支座的横梁 上，而油缸则可以绕销轴轴线摆动，其摆动范围是在油缸支座内，销轴的位置则是在 副车架对称平面并且与副梁相平行的对称中心线之上。在油缸最上一节的位置上有耳 孔，其轴线平行于销轴的轴线，自卸车车厢与油缸的连接就是通过销轴铰接连接的。 车箱与副车架的连接也是通过销轴铰接连接的。 自卸车的主要性能参数如下： ( 1 ) 主要尺寸参数：轴距、轮距、外廓尺寸、前悬、后悬、接近角、离去角等： ( 2 ) 主要质量参数：最大装载质量、最大总质量、整备质量、质量利用系数、容 积利用系数、中心位置等； ( 3 ) 其它性能参数：车箱最大举升角度、举升和下降时间；行驶稳定性、卸载稳 定性。 随着经济的不断发展，基础设施建设的不断增加，自卸车的产销量一直保持着较 高的水平，位于专用车产量的第一位。然而，我国自卸车的发展水平不论在种类、型 式还是材料运用等诸多方面都与国外先进水平存在着很大的差距。自卸车需求的不断 增长主要取决于固定资产投资的不断增加，投资规模的增加带动了自卸车市场的发 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 展。由于自卸车的品种不断增加，使得自卸车不仅能够应用于施工，同时还能满足运 输市场的要求，可谓用途越来越广，市场需求也越来越大。 2 3 自卸车卸载稳定性分析 稳定性作为衡量自卸车的_ 个极其重要的性能指标，存在于自卸车工作的各种情 况，比如静止状态、运行状态、卸载状态等均涉及到自卸车稳定性的问题。可靠的稳 定性是自卸车所必须具备的一个极为重要的性能指标，自卸车必须在任何一种工作情 况下都具有较强的抵抗外界干扰的能力，并且能够正确地执行自卸车操作人员所发出 的各种命令，使自卸车稳定可靠，减少或避免各种损失。 2 3 1 土料的自然堆角 土料是由很多不同尺寸的土粒组成的，按其粒度大小一般可以分为以下几种：漂 石及块石( 粒径大于2 0 0 m m ) 、卵石及碎石( 粒径2 0 - 2 0 0 r a m ) 、砾石( 粒径2 - - - 2 0 m m ) 、 砂石( 粒径0 0 5 - - 2 m m ) 、粉石( 粒径0 0 0 5 - 0 0 5 m m ) 、粘土( 粒径小于0 0 0 5 m m ) 。 各个土粒之间存在着相互的摩擦阻力，此摩擦阻力包括各个土粒之间的表面摩擦力以 及土粒之间的胶合力。土粒之间的内摩擦力与内摩擦系数( 即内摩擦角西的正切值) 成正比。随着土料含水量的增加或减小，内摩擦角也随之发生变化。土粒越小，内摩 擦角随含水量的变化越大：颗粒较粗的土料由于土粒越大，土料的渗透性越强，所以 较粗颗粒土料的内摩擦角受土料含水量多少的影响要小很多。 自然状态下土料的堆角，指的是土料在松散自然堆积状态时所形成的堆面坡度 角。堆面坡度角m 。的大小取决于土料的内摩擦性以及土料的粘性。对于非粘性土而 言，土料的内摩擦角矽等于土料的堆面坡度角；对于粘性土料而言，由于土粒之间 粘结力的存在，通常情况下会有 矽1 6 。 各种土料的自然堆角如下表2 2 所示： 表2 - 2 土料的自然堆角 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 3 2 物料的安息角 散料在堆放时能够保持自然稳定状态的最大角度( 单边对地面的角度) ，称为 “安息角。这个角度形成后，再往上堆加这种散料，就会自然滑下，保持这个角 度，只会增高，同时加大底面面积。在土堆、煤堆、粮食的堆放中，经常可以看 见这种现象，不同种类的散料安息角各不相同。安息角实际上就是休止角，安息 角是影响物料卸载的重要参数。货物静止时的安息角称为静安息角，货物处于运动状 态时的安息角则称为动安息角 3 1 。如图2 1 所示，车厢绕旋转轴o 点旋转，同时将车 厢中的物料卸下，在这个过程中产生了物料的坡度角y 和车厢的倾斜角艿，实践证明 二者之和是一个常数，二者之和即为堆角m ，所以有y + 艿= ，又可以称之为物料 的安息角。安息角对粉末状物料的流动性有很大的影响，随着安息角的不断增大，粉 末状物料的流动性会越来越差，换句会说，安息角越小，则粉末状物料越具有较好的 流动性。 图2 1 物料的安息角 几种较为常见的散装物料的密度和安息角如下表2 3 所示。自卸车在卸载作业时 的车厢最大举升角度与物料的安息角有着极为密切的关系，根据相关资料，绝大多数 物料的静止安息角的角度范围一般在4 0 0 一4 5 0 之间，因此从这一点来看，要想自卸车 卸货比较干净，其车厢的最大举升角度的设计应该合理，一般情况下，自卸车车厢的 最大举升角度设计在5 0 0 一6 0 0 的范围之内。同时值得注意的是，在举升机构达到最大 举升角度的时候，自卸车车厢的最低点需要与地面保持一定的距离，才能保证安全卸 货【4 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 表2 3 散装物料的密度和安息角 当自卸车停放在水平地面上进行卸载作业时，自卸车车厢内所装载的物料的运动 轨迹是在位能梯度最大的铅垂平面内，最终完成物料的卸载过程。此时，物料的轨迹 线与水平面所形成的夹角便是物料的安息角。物料的质心位置位于自卸车的纵向对称 面内，因此这部分物料不会对自卸车造成横向的侧翻力矩，所以能安全稳定完成物料 的卸载，自卸车不会出现侧翻现象。 当自卸车停放在不平的地面上时，假设此时地面的横向坡度角为口，如图2 2 所 示。由于地面横向坡度角的存在，导致自卸车的车厢底板出现倾斜现象，自卸车在进 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 i 行卸载作业时，车厢内未卸载下来的物料在车厢内的分布是不对称的，这部分未卸载 的残余物料的质心位置将会偏离自卸车的纵向对称面而向下坡的一侧倾斜。由于残余 物料的质心偏移将会导致自卸车出现偏心力矩。随着自卸车卸载过程的不断进行，位 于车厢右边的物料比位于车厢左边的物料先被卸载完成，随着自卸车举升机构的不断 向上抬升，车厢也随着不断向上抬升，自卸车车厢内所残留的物料的质心位置会偏离 自卸车侧倾轴线越来越远，从而使自卸车左右悬架的变形差加剧，情况严重时则会导 致自卸车在卸载作业过程中出现侧翻现象而无法完成卸载任务，同时还很有可能造成 巨大的损失【6 1 。 图2 2 地面出现横向坡度角时的物料卸载情况 2 4 自卸车稳定性分析 一般情况下，与普通的货车相比，由于自卸车的底盘车架、副车架、中间垫块、 车厢等结构累积尺寸参数的影响，自卸车的重心位置一般比较高，所以发生失稳危险 的可能性也比一般货车大。 2 4 1 自卸车侧翻时车轮受力分析 当自卸车处于路面上，不论自卸车是静止状态，还是处于卸载状态，如果要保证 自卸车在任何一种状态下都是稳定的而不会发生侧翻失稳现象，则就必须要保证自卸 车的各个车轮都与地面保持接触，也就是说各个车轮所受的载荷不能为零，并且左右 两侧轮胎所受的载荷e 和b 的分配要合理1 1 0 2 2 l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 3 自卸车左右车轮受力图 当自卸车在水平地面上，并且处于静止状态，假设此时自卸车所装载的物料质量 是对称的，即物料没有出现侧偏现象，这时则有e l = 最。当自卸车达到发生侧翻危 险的临界状态时，即自卸车左右两侧的车轮其中一侧即将脱离地面而向上抬起，则会 有e l = 0 或者r = 0 。还有一种情况，那就是当自卸车处于侧翻与稳定的中间状态时， 也就是左右两侧的车轮都没有从地面上抬起而离开地面，但是此时自卸车左右两侧轮 胎所受的载荷是不对称的，我们仍然称这种状态为自卸车处于稳定状态。 当自卸车所处的地面出现横向坡度角时，假设此时横向坡度角的大小为口，如图 2 3 所示。如果忽略掉轮胎的变形，而只把悬架的变形考虑进去，由整车的受力分析 可以知道，当自卸车处于静平衡状态时，自卸车所受的所有外力对其左侧轮胎接地点 的力矩如下式所示： m = 斥b 一矿( 詈+ 五) c o s 口= o ( 2 - 1 ) 式中： 最一右侧车轮所受的垂直载荷( n ) ； 口一轮胎平均着地宽度( m ) ； 矽一自卸车的总重力( n ) ； k 一自卸车的总重力肜所指方向的延长线与地面交点的横坐标( m ) ： 口一路面的横向坡度角( o ) 。 由式( 2 1 ) 可知，如若要保证自卸车不发生侧翻失稳现象，就必须要保证自卸 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 车右侧车轮所承受的载荷一定不能为零，即： 最 0 ( 2 2 ) 由以上两式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可得： x 一旦 (23)o 2 可以知道，要保证自卸车不会发生侧翻失稳现象，则自卸车的整车重力形所指方 向的延长线与地面的交点坐标( x o ，0 ) 必须满足式( 2 3 ) 的要求。 2 4 2 静止状态且整车为刚性时自卸车稳定性分析 ( 1 ) 没有偏载时自卸车稳定性分析 把自卸车假设为刚性的整体，即不考虑悬架以及轮胎变形对自卸车稳定性的影响 1 2 3 1 ，图2 - 4 所示为自卸车静止于路面上，此时路面的横向坡度角大小为口。 图2 4 不考虑悬架和轮胎变形状态下自卸车稳定性分析 一般而言，自卸车在发生侧翻失稳时并不伴随着侧滑现象的发生，所以这种情况 下的计算就相对简单很多，可以推算出整车质心高度的位置，假设质心高度用日表示， 则质心高度日如下式表示【2 4 1 。 h = 堡兰坚竺兰坠( 2 - 4 ) 羁 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 式中： 鼠一自卸车底盘的质心高度； 儿一自卸车车厢和货物的质心高度： 一底盘的质量； 暇一自卸车车厢和货物的质量； 日一自卸车整车的瞬时质心高度。 当自卸车没有发生侧翻失稳现象时，地面的横向坡度角口可以用下面的公式计算， 为： 口= 嗍( 南) 协5 ， 弘嗍l 丽j 他巧) ( 2 ) 偏载作业时自卸车稳定性分析 自卸车在实际的使用过程中，由于所装载货物的物理化学性质的差异以及货物的 装载方式也有所差别，会使得自卸车在使用过程中出现各种不同情况的偏载现象，自 卸车货物出现偏载的现象如图2 5 所示。一旦自卸车所装载的货物出现偏载现象，自 卸车的整车质心位置便会相对于纵向对称面出现偏移，假设所出现的偏移量为x ，。 与此同时，由于自卸车所载货物出现偏载现象的影响，也会使得自卸车的左右两侧的 钢板弹簧出现不同程度的变形，从而使得左右车架产生一个高度差，假设高度差为 丸一忽。同时，由于偏载的影响，也会使自卸车车厢和所载货物随着车架平面的变化 而相对于车桥轴线产生一定的角位移，假设此时的角位移为卢。当自卸车在进行卸载 作业时，随着自卸车举升机构的抬升，自卸车车厢和所载货物的质心位置也会随着升 高，迫使产生更大的相对角位移夕。 角位移的表示方法如下式： p i 吣( 字 仫6 ， 式中，b 为钢板弹簧中心宽度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 一 y 。竹 下 啊 a j l 一 、 j 【一_ f f 。 飞 又硪刊 姒 睑： 悼殴- 一 一一上埴 l h 下r ! i j ! l俐陟 j c i 厂、o一 j h 一 l 套 i i。jw 一 丫 v 1 卜 6 t 二 、f j亨 图2 5 货物偏载时自卸车作业稳定性分析 由于自卸车所载货物所造成的偏载现象将会导致自卸车质心位置的偏移，自卸车 的非刚性组件以及自卸车的承载地面都会由于质心的偏移而受到一定的影响。随着承 载质量发生变化，轮胎的着地半径r 也会跟着发生变化，由于左右两侧轮胎所承受的 重量并不相同，将会导致左右两侧轮胎的着地半径产生一个高度差足，一足：，如图2 5 所示。同时，自卸车的车桥轴线也会相对于地面产生一定的角位移，假设所产生的角 位移为屏。角位移屏可以用下式表示： 屏= a r c t g ( 孚) 协7 ， 自卸车进行卸载作业时，随着举升机构的不断抬升，车厢和所载货物的质心位置 也随之升高，从而导致质心偏移量不断增大，这就使得自卸车左右两侧钢板弹簧的变 形差不断加大，相对角位移也不断增大；同时，由于质心偏移量不断增大，也将会 导致左右车轮所承受的重量不同，从而使左右两侧车轮变形差不断加大，进而使得自 卸车的车桥轴线相对于地面所产生的相对角位移良进一步增大。因此，随着自卸车 质心位置的不断升高，角位移、屏有增大的趋势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 2 4 3 整车为刚性时自卸车侧翻稳定性分析 自卸车是一种工程用车辆，其整车性能的发挥在实际使用中常常会受到工作场地 的影响。如图2 6 所示，当自卸车处于横向坡度角为口的路面上进行卸载作业时，自 卸车整车重力的方向与自卸车的垂直中轴线形成大小为口的夹角。随着举升机构的抬 升，自卸车整车的质心高度随着升高，自卸车整车重力方向的延长线与地面之间的交 点将会离自卸车的垂直中轴线与地面的交点越来越远。当地面横向坡度角的大小不变 时，随着自卸车质心高度的不断升高，自卸车的稳定性越来越差。 当把自卸车看作刚性时，即不考虑左右轮胎和悬架的弹性变形，当自卸车的整车 质心位置升高到时，自卸车整车重力形所指方向的延长线与地面之间的交点距离 自卸车垂直中轴线与地面之间的交点越来越远，当夹角口的大小确定时，自卸车的整 车侧翻稳定性随着自卸车整车质心的不断升高而发生变化，假设自卸车整车质心坐标 为c ( 丘，圪) 。 如果要保证自卸车稳定工作而不发生侧翻失稳现象，则必须要满足下面的数学表 达式： w h s i n 口 一鼍 ( 2 l o ) 二 式中： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 日一自卸车整车质心高度( m ) ； 口一路面横向坡度角( o ) ： 风一自卸车车桥轴线相对于地面的角位移( o ) ； 矗一车架相对车桥轴线的旋转中心离地高度( m ) ； 口一轮胎平均着地宽度( m ) 。 图2 7 考虑悬架和轮胎变形状态下自卸车作业稳定性分析 2 5 影响自卸车作业稳定性的主要因素 通过对自卸车在若干工况下稳定性的讨论与分析，可以总结得出影响自卸车作业 稳定性的因素主要包括以下几个方面 1 02 5 】。 ( 1 ) 轮距 自卸车的轮距对其稳定性有着很大的影响，随着轮距的增大，自卸车的稳定性也 会增大。但是自卸车轮距值的大小在设计时会受到车宽的限制，增加轮距需要综合考 虑多种因素，比如自卸车的外观、零部件的布置以及紧凑情况等。然而实际上，自卸 车轮距的具体值在车身底盘出厂时就已经确定，所以在选择自卸车底盘时各个因素的 影响就应该考虑清楚。 ( 2 ) 悬架刚度 自卸车左右两侧悬架的刚度对其稳定性有着巨大的影响，由于悬架是弹性的，左 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 量皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼舅曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼笪曼曼曼量皇i i i i i i 曼曼曼曼量舅皇蔓曼曼量鼍量曼曼量皇曼鼍 右悬架由于受力不均而发生的侧倾现象会引起自卸车整车质心位置的变化，从而使得 自卸车的抗侧翻能力大大降低。如果左右两侧悬架的刚度太小，将会导致自卸车车厢 和所载货物随着车架平面相对于车桥的轴线产生一个相对角位移，这样会使自卸车整 车质心的侧向偏转程度增大，降低自卸车的稳定性。所以，要使自卸车具有足够的稳 定性，保证自卸车左右两侧悬架的刚度是一个重要的前提。 ( 3 ) 轮胎刚度 当自卸车在进行卸载作业时，轮胎不可避免的会发生弹性变形，从而使得侧翻力 矩增加，导致自卸车出现横向失稳现象。因此，轮胎最好使用侧偏刚度较大的，相对 于斜交轮胎而言，子午线轮胎是较好的选择。同一种规格和同一种型号的轮胎，帘布 层越多、帘线与车轮平面的夹角越小、气压越高，则轮胎的侧偏刚度就会越大，其回 正力矩也越大，会大大减少自卸车发生横向失稳的危险。 ( 4 ) 整车质心高度 整车质心高度是影响自卸车稳定性的一个重要因素，如果自卸车整车质心的高度 可以降低，路面横向坡度角便可以相应增大，从而可以提高自卸车的稳定性。 一般情况下，自卸车的质心要比相同类型的普通车的质心高。造成这种现象的原 因是自卸车增设了副车架，同时还装有车厢回落时的缓冲装置，同时还要给自卸车的 举升机构留出足够的空间。这样一来，车厢平台与主车架上翼之间的距离必然增大， 导致自卸车整车质心抬升。自卸车进行卸载作业时，侧翻失稳一般容易发生在卸载作 业的后期，自卸车整车质心位置的升高将会增加自卸车在卸载作业时的侧翻失稳现 象。在对自卸车进行设计时，应该尽量使油缸下支点到车厢平台的距离尽可能小，从 而降低整车质心位置，使得自卸车在进行举升作业时的质心位置相对降低一些，从而 提高自卸车的稳定性。 ( 5 ) 车厢后支点之间的距离 自卸车在进行卸载作业时，侧翻失稳一般发生在卸载过程的后期。可以把自卸车 车厢的两个后支点与举升机构的支点简化为三角形结构，根据三角形的稳定性原理， 自卸车车厢的两个后支点之间的距离越大，自卸车的稳定性也相对越高。 ( 6 ) 举升机构的型式 在对自卸车进行设计时，举升机构的选型是一个极为重要的问题。举升机构的型 式直接关系到自卸车整车的结构和举升性能，举升机构的选型必须满足两个基本要 求，即举升力、最大举升角度。如果举升机构选择合理，则可以使自卸车的稳定性得 到显著提高。 ( 7 ) 关键铰接点的配合精度 自卸车的各个连接副通常采用的是转动副，在卸载作业时，如果各个铰接点的配 合过松，就会使车厢与副车架之间的横向位移增大，从而使失稳加剧。因此，在对自 卸车进行设计和制造时，自卸车车厢翻转轴同翻转支架的衬套与车架连接衬套之间不 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 要有太大的配合间隙。 ( 8 ) 其它因素 除了上述因素之外，还有很多其他的因素也会影响自卸车的稳定性，比如装配质 量和焊接质量等因素。自卸车超载，以及自卸车操作人员的操作方法和自卸车工作的 场地、环境等都会影响其稳定性。如果自卸车工作时侧风很大或者路面斜度很大，都 很容易造成自卸车的侧翻失稳。 2 6 本章小结 本章分析了自卸车物料卸载机理和自卸车卸载作业的侧翻机理，并对影响自卸车 卸载作业稳定性的主要因素进行了分析，为后续工作奠定基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 第3 章虚拟样机技术概述 3 1 虚拟样机技术基础 3 1 1 基本概念 虚拟样机技术是一种综合多种先进技术的综合应用技术，它涉及到多体系统运动 学与动力学建模理论及其技术实现等诸多领域。 虚拟样机技术是在c a x ( 如c a d ，c a m ，c a e 等) d f x ( 如d f a ，d f m 等) 技术基础上发展起来的，它对信息技术、先进制造技术和先进仿真技术加以融合，同 时将这些技术引入系统的全生命周期中，实现对系统的综合管理。另外，“由上至下” 的开发模式是虚拟样机技术的重要特点，也是其优势所在。在实际产品的研究开发中 引进虚拟样机技术具有极大的优势，一方面可以预测产品的性能，同时还能随时修改 产品的设计，另一方面，通过使用虚拟样机技术，产品的开发设计周期缩短很多，同 时成本也明显降低。因此虚拟样机技术将会得到广泛地应用，并能大幅度提高经济效 益。 在产品的设计开发过程中，利用虚拟样机技术可以将分散开来的零部件设计和分 析技术( 指的是在某一个系统中零部件的c a d 和f e a 技术) 融合起来，直接在计算 机上建造出产品模型，同时在计算机上针对该产品在使用过程中的各种工况进行仿真 分析，从而可以预测产品的整体性能，以便更改产品设计并提高产品性能。传统的设 计与制造过程先是进行概念设计和方案论证，最后才对产品进行设计。产品设计完成 后，为了对所设计出的产品进行验证，一般情况下，需要制造出真实的物理样机反复 进行试验，在试验中检查产品的设计是否有缺陷，如果发现问题，需要返回去对设计 进行修改，然后再制造物理样机进行试验，如此反复，直至制造出的物理样机能够满 足设计的要求。传统的产品设计开发过程是相当漫长的，尤其是对于结构比较复杂的 系统，设计周期则会更长，很难适应市场需求的快速变化，同时反复制造物理样机的 费用也使得产品开发成本大大增加。大多数情况下，为了满足市场需求的快速变化， 工程师一般会取消物理样机试验这个过程，以便产品能够按时投放于市场，这样就会 导致产品在上市时便有各种各样的先天性缺陷。在日益激烈的市场竞争环境下，传统 的设计方法基于物理样机的试验验证在很大程度上制约了产品质量的提高，产品设计 成本无法降低，产品的市场占有率也很低。 利用虚拟样机技术，则可以从分析解决产品的整体性能以及所涉及到的相关问题 的角度出发，从而可以对传统的产品设计与制造过程中所遇到的问题加以很好的解 决。利用虚拟样机技术时，c a d 系统中所提供的产品零部件的物理信息以及几何信 息都可以为工程设计人员直接利用，同时可以在计算机上直接定义各个零部件相互之 间的各种约束关系，并完成整个机械系统的虚拟装配过程，从而可以很方便地获得机 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 械系统的虚拟样机模型。利用虚拟样机技术还可以使用各种系统仿真软件来模拟虚拟 样机模型在实际工作情况下的各种运动情况，并对各种工况下的运动和受力情况进行 仿真分析，同时还可以对各个部分的相互运动情况进行观测和试验。利用虚拟样机技 术可以很方便地