1GDZ－300L钻机虚拟样机建模

1.1履带虚拟样机的建立

钻机的履带行走机构采用RecurDyn(RecursiveDynamic)进行参数化设计，该软件是韩国FunctionBay公司开发出的新一代多体系统动力学仿真软件。RecurDyn中专门有针对履带设计与仿真的模块低机动性履带车RecurDyn/Track(LM)。低机动性履带包工具箱由链轮，法兰，履带链接，橡胶衬套，辊子护栏和地面剖面库组成。而且低机动性履带包有参数化的部件链齿轮、单缘轮、双缘轮等。利用这些部件，可以快速建立低机动履带车辆，分析诸如履带链接和地面之间的相互接触特性，以及各种工况中出现的结构问题。

1.1.1履带零部件几何建模及组装

GDZ－300L履带钻机选用的是BLD3500A型履带，主要有由履带板、驱动轮、支重轮、托链轮、引导轮、张紧装置组成。利用RecurDyn的Track(LM)模块对履带进行建模，根据钻机设计时所选用履带的实际情况确定各个子模型的结构，确定行动部分各零部件的几何参数、性能参数、安装位置以及连结方式等。钻机的履带虚拟样机有两条履带子系统组成，每条履带子系统包括1个驱动轮、1个张紧轮、6个支重轮、1个托链轮和39块履带板，履带板之间采用双销式连接;钻机采用后置驱动，驱动轮有19个链齿。

1.1.2施加履带子系统内部约束

履带各零部件之间的约束:结构约束(接触约束)、力约束、运动约束及刚体碰撞约束等。施加的主要约束包括:驱动轮、张紧轮、托链轮、支重轮与履带支架之间的旋转约束，定义驱动轮的初始驱动力或扭矩及驱动函数;履带支架和钻机机体(此时以子系统的motherbody表示)之间的固定约束;张紧轮与支架之间的移动副约束，定义张紧弹簧的阻尼和初始张紧力;履带板与履带其它零件的接触约束，该约束由软件自动完成。完整的履带子系统如图3所示。

1.2钻机总成

在RecurDyn模型环境中把建立好的钻机机体虚拟样机模型导入其中，RecurDyn会自动将模型各个组件的材料设置为钢，也可根据实际情况更改各零部件所用的真实材料。为了方便后续的仿真把各个组件合并成一个名为drill的整体，合并后钻机中的各个组件的质量、体积及各个组件间的位置关系不会发生变化，然而这个合并体的质量和质心是由各个组件共同合决定的。调节两条履带的间距为实际值，把这两条履带的motherbody都改为drill，这意味着两条履带子系统的履带支架以固体约束方式与钻机机体连接，形成一个完整的钻机虚拟样机系统。钻机的总重量约6.32t，运输尺寸长×高×宽为5956mm×2545mm×2050mm，每条履带的接地长度为2000mm、宽350mm、两履带间距为1700mm。

2建立行走仿真路面

地质灾害防治施工现场的道路多为不平整路面，钻机不可避免的要行驶在路障、坡道及边坡上，地质灾害钻机的行走稳定性主要表现在成功越过这些不平整道路时不发生翻倾和滑移。因此分别建立平坦路面、斜坡、障碍和边坡道路进行分析，在RecurDyn的Ground模块下建立，来近似模拟钻机实际工作道路———粘土道路，地面参数在履带系统中定义，每条履带系统可单独定义路面和履带路面间的接触参数。建立了平坦路面、20°斜坡、300mm障碍、20°边坡的虚拟路面(图5)。图5仿真路面Fig.5Roadsimulation

3地质灾害防治钻机不同工况履带行走仿真与分析

3.1平地仿真分析

开始仿真要先使钻机在路面上处于静平衡状态，然后在0.5s时给样机设定一个650mm/s(2.3km/h)的初速度，驱动钻机样机在平坦路面上行驶。通过RecurDyn动力学仿真得到该行驶过程机体质心竖直方向的位移曲线，仿真路面为粘土，钻机落到地面会发生沉降，在0.5s左右时达到平衡状态，钻机行走时机体质心在竖直方向的位移最大波动振幅为3mm，波动非常小，显然地质灾害防治钻机在平坦路面上行驶进非常稳定。图6b为平坦路面行驶时钻机机体质心速度曲线，钻机在达到静平衡后开始起动、加速，在1.5s时速度达到650mm/s，而后机体以该速度稳定的行驶，速度值的波动在630～670mm/s之间，最大振幅为40mm/s，未对钻机的正常行驶造成影响，可见钻机的在平坦路面行走时具有良好的稳定性。

3.220°斜坡仿真分析

同样使钻机先达到静平衡状态，设定使钻机从0.5s开始运动加速加到1.5s速度达到650mm/s，图7为钻机样机在20°斜坡行驶时的动力学模型。从图8a中可看出钻机样机在0～2.2s之间是一个平路静平衡及平路行驶的一个阶段，基本特性与平坦路面行驶相同，不再讨论;在2.2～10.5s是爬坡阶段，这个过程中位移出现两个不同曲率的位移曲线，第一个曲率为履带前缘先接触到斜坡，履带后缘仍在平地上，钻机被架起，该阶段竖直方向位移出现小的规律波动，第二个曲率为整个履带已完全附着在斜坡上，钻机行走平稳;从10.5s开始钻机样机在平路上行驶，位移无波动，行驶平稳。从图中分析可得钻机样机在20°斜坡上行驶平稳。图8b的20°斜坡路面行驶机体质心速度曲线反映出:0～2.2s与在平坦路面行驶是相同的;2.2～5.0s钻机全质量作用在履带前后两轮缘上，地面附作力小，阻力大，且滑转率增大，造成钻机速度下降为550mm/s，5.0～8.0s履带完全与地坡道接触，速度在有规律的小范围波动，此时钻机样机速度略小于仿真设定速度，8.0～10.5s钻机速度出度较大的增大，钻机将要水平行驶，履带平面与水平方向成一定的夹角，钻机质心开始下落造成质心处的速度增大;在10.5～15s间钻机在平路上行驶，行走稳定。在整个爬坡过程中钻机未出现倾翻，行走稳定。

3.3300mm路障仿真分析

使钻机先达到静平衡状态，设定使钻机从0.5s开始运动加速加到1.5s速度达到650mm/s。图9为钻机样机爬越300mm高障碍路面时机体质心的曲线，从竖直方向位移曲线和速度变化曲线可知钻机成功爬越了该障碍，但机体在行驶过程中波动较剧烈，竖直方向的位移最大波动幅度达到了500mm，速度最大波动幅度达到了1750mm/s，此工况钻机的履带行走稳定性较差。这种现象的出现是由于选用的履带无悬挂系统，不具备像军用履带的平衡肘、减震器、扭力轴等结构，在不平整路面行驶不能起到减震、自动调节支重轮的高度来适当适应面的能力。这与钻机在进行野外生产实验时的真时情况相符，当钻机行走在乱石路上时振动严重。

3.420°边坡仿真分析

设定仿真钻机样机从0.5s开始运动加速加到1.5s速度达到650mm/s，图10为钻机样机横向行驶在20°边坡上的动力学模型。钻机样机横向落在边坡上在没有给驱动的情况下，在重力的作用下钻机有向下滑移的趋势。从图11a、b可知道钻机样机在20°坡道上不管有没有添加驱动力它都向下产生了滑移，履带与边坡的横向附着力小于钻机自身重量在平行边坡上的分力。分析0～0.5s及0.5～10s这两个时间段，竖直方向及水平方向的位移都相应的出现两种不同的曲率:没有驱动力的情况下，钻机滑移率较大;钻机开始运动时存在驱动力，竖直方向与水平方向的向下滑移率反而小了，这与钻机运动时履带对边坡粘土的剪切力会减小横向附着力相矛盾，需要进一步分析与研究该问题。速度的波动大小在允许的范围内。钻机在边坡上行驶时未出现倾翻，但产生了向下滑移，在行走了6.1m的距离后钻机向下滑移了0.2m，滑移率为3%在允许的范围内仍可视钻机行走稳定，但钻机在边坡上的横向稳定性欠佳。产生此类滑移与钻机的质量、坡角，路面性质等因素密切相关，若要使地质灾害防治钻机更稳定的行驶在粘土20°边坡上，钻机需要向上稍微调整一定角度来形成位移补偿。

4结束语

(1)利用虚拟样机技术完成了地质灾害应急抢险钻机的三维设计，证明了钻机在结构设计上合理，通过运动学、动力学仿真论证了该钻机基本能满足地质灾害防治中的抗滑桩、边坡加固、钻掘生命通道等相关施工工况的要求，钻机具有良好的通过性能。钻机在爬20°斜坡及20°边横向行走时不发生倾翻，越障碍能力欠佳，但不影响钻机的正常工况的快速移机动作，GDZ－300L地质灾害防治钻机具有良好的行走能力及行走稳定性。

(2)采用虚拟样机技术对地质灾害防治设备进行设计与制造相比传统设计方法，具有明显的优势，能及时发现设计缺陷，提高设计效率，减小设计生产成本。为今后继续设计与制造相关设备储备技术力量。

作者：黄晓林奎中单位：中国地质科学院探矿工艺研究所