陶　帅，林浩洋，郝　刚，刘　玉，刘振广

(1. 63956部队,北京　100093； 2. 77569部队 35分队,拉萨　851400；

3.总装器材供应中心,北京　100120)

轮式推土机械悬挂闭锁有效性评价方法分析

陶帅1，林浩洋2，郝刚3，刘玉1，刘振广1

(1. 63956部队,北京100093； 2. 77569部队 35分队,拉萨851400；

3.总装器材供应中心,北京100120)

摘要：为满足4轴轮式推土机械在现阶段面临高速行驶稳定性和其自身作业稳定性间的需求，工程设计人员设计了一种悬挂和闭锁结构机构结合的新型悬挂系统；但由于现实的悬挂闭锁装置不能实现理想的闭锁，悬挂系统可能产生的内泄、油液污染等问题的存在，导致悬挂闭锁系统存在结构有效性评价的问题；通过建立推土机械整机简化模型，以闭锁机构作用时的推土作业稳定性为目标，分析闭锁机构有效性影响因素和作用规律，研究结果表明：闭锁机构有效性可用油缸沉降量进行间接评价；研究结论为悬挂闭锁系统的有效性评价提供技术支撑。

关键词：轮式；推土机械；悬挂；闭锁；评价

Analysis on Availability Evaluation Method of

Suspension Atresia of Wheel Bulldozer

TAO Shuai1, LIN Hao-yang2, HAO Gang3, LIU Yu1, LIU Zhen-guang1

(1.The No. 63956thTroop of PLA, Beijing 100093, China; 2.The No. 77569thTroop of PLA,

4轴轮式推土机械具有高速行驶减振和作业稳定性的双重要求，而两者之间又是矛盾的。一般情况下，底盘系统若全部悬挂装置采用弹性悬挂，可满足高速行驶的减振需求，但弹性支撑状态下，推土铲刀向下推压或向上提升过程中，车体就发生抬头或翘尾现象，无法进行正常的推土作业；而若将全部悬挂装置闭锁成刚性悬挂，虽然车体在不发生抬头和翘尾的情况下便可产生较大的推压力、提升力和较好的作业稳定性，但是会导致整机行驶时的共振频率，影响行驶性能。为此，工程设计人员提供了一种悬挂和闭锁结构机构结合的新型悬挂系统，从而达到两种效果：一是悬挂装置在高速行驶时为弹性悬挂，闭锁机构随动；二是作业时，通过闭锁机构闭锁悬挂系统，增大悬挂刚度，提高作业稳定性。

一般来说，现实的悬挂闭锁装置不能实现理想的闭锁，只能增加悬挂刚度；同时，由于工作环境或自身结构的原因，在寿命周期内，悬挂系统可能产生内泄、油液污染等问题，使闭锁结构刚度低于设计值，即闭锁装置在使用过程中将会面临失效的威胁。这些问题导致轮式推土机械面临有效性检测问题，即闭锁机构在什么状态下可判定为失效。下面拟通过刚度对推土作业稳定性的影响分析，探讨测定闭锁有效的试验方法。

1理论建模

由于实际推土作业工况比较复杂，很难定量评价闭锁机构对作业平稳性的作用[1-3]。考虑到车辆在实施推土作业时的行驶速度较低，外扰频率小的实际特点，可以将推土过程中的动态特性与静态特性等效。

1.1　基本假设

闭锁与推土平稳性关系主要体现在推土铲提升时对车体俯仰角的影响，为了集中体现提升力与俯仰角的关系，假定如下：

地面水平；车体和推土铲是刚体；弹簧等悬挂在未作业时的初始位置平行于地面的垂向；忽略阻尼对车辆的影响，即按照静力学方法对俯仰角进行分析；忽略轮胎气压不同引起的车辆重心偏移，即车体重心相对车体不变；在车体发生俯仰时，轮胎的主刚度方向与弹簧方向一致。

1.2　简化模型

由于假设机械停靠路面为水平路面，同一轴上的左右两个弹簧特性相同，所以可以将两个弹簧等效为具有单个弹簧2倍刚度的弹簧，在此基础上就可以建立车辆的平面简化模型[4,5]，如图1所示。

图1　轮式推土机械受力简图

当车体受到铲刀刃处提升力F的作用时，车体重心会向后、向下移动，同时会出现相对于未受力状态时的一个俯仰角γ，由于悬挂弹簧与车体铰接，当车体发生俯仰时，如图2所示，悬挂弹簧随之产生一定偏移角，偏移角度分别设为α1、α2、α3、α4。

当车体由于推土铲提升力的作用产生俯仰变化时，车体各点相对于物理坐标(绝对坐标)的位置发生了变化，为准确把握弹簧与车体连接位置的坐标变化量，拟利用坐标变换方法对其进行分析。

图2　轮式推土机械受力后简图

设Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ桥与地面接触点相对于惯性坐标系的坐标为A1(ya1,za1)、A2(ya2,za2)、A1(ya2,za2)、A1(ya2,za2)，未发生俯仰时与车体铰接点坐标为B1(yb1,zb1)、B2(yb2,zb2)、B1(yb2,zb2)、B1(yb2,zb2)，发生俯仰后与车体铰接点坐标为C1(yc1,zc1)、C2(yc2,zc2)、C1(yc2,zc2)、C1(yc2,zc2)，其中C点坐标是由B点坐标通过坐标变换得到；重心偏移量为(a,b)；I至IV桥悬挂刚度分别为k1、k2、k3、k4，切削刃与地面接触位置E到A1点距离为l，车重为G。

按照力平衡方程和力矩平衡方程，建立车辆在提升力作用下的力学平衡方程为

G=F1cosα1+F2cosα2+F3cosα3+F4cosα4-F

(1)

G(l1+l4)-F2cosα2l1-F3cosα3(l1+l2)-

F4cosα4(l1+l2+l3)-Fl=0

(2)

Gl4+F1cosα1l1-F3cosα3l2-F4cosα4×

(3)

Gl5-F1cosα1(l1+l2)-F2cosα2l2+

F4cosα4l3+F(l+l1+l2)=0

(4)

G(l5+l3)-F1cosα1(l1+l2+l3)-F2cosα2×

(5)

式(1)~式(5)中

l1=ya2-ya1;l2=ya3-ya2;

l3=ya4-ya3;

l4=a-ya2;l5=ya3-a；

F1=F10+k1x1;F2=F20+k2x2;

F3=F30+k3x3;F4=F40+k4x4

x1=b1-c1;x2=b2-c2;x3=b3-c3

其中：F10、F20、F30、F40分别为各桥在车体发生俯仰前，地面对弹性悬架的反作用力，即轴载，F1、F2、F3、F4分别为各桥在车体发生俯仰后地面对弹性悬架的反作用力，其由初始轴载和受力变化量两部分组成。

2推土作业稳定性影响因素分析

推土机械I至IV桥悬挂初始刚度分别为k1=k2、k3=k4(已知)，整车重量、l1、l2、l3、l4、l5、F已知。通过式(1)～(5)，对I、IV桥刚度变化对车体俯仰角的变化进行分析，通过计算，可以得到在相同提升力作用下，车体俯仰角随I、IV桥刚度变化的规律，如图3所示。

从图3中车体俯仰角随I、IV桥刚度的变化曲线中可以看出：

1) 在一定的最大提升阻力(与最大提升力等值、反向)作用下，车体的俯仰角会随着I、IV桥刚度的增大而减小；

2) 车体俯仰角的变化率随着I、IV桥刚度的逐渐增加而减小，即随着刚度的增加，相同的刚度增量带来的车体稳定性效果越来越不显著，直至I、IV桥变为刚体，即车体不发生俯仰，但这种状态为理想状态，且对于轮式机械而言是不可能达到的状态。

图3　车体俯仰角随I、IV桥刚度变化规律

通过上述分析，可以得出如下结论：轮式机械的闭锁机构有利于提高作业时的稳定性，但这种提升效果随着刚度的增加而逐渐减弱。为了直观的表达这种效果，可以I、IV桥刚度的变化为自变量，以车体俯仰角降低的幅度百分比为因变量，绘制两者的关系图，如图4所示。

轮式机械达不到完全闭锁是由轮式装甲车辆的悬挂刚度的组成结构决定的。I、IV桥刚度的增加是有利于车辆的作业稳定性的。闭锁机构可以认为是悬挂弹簧的一个组成部分，悬挂弹簧kx和闭锁机构刚度kb两者之间是并联关系，并联刚度kbx为

(6)

kb的取值范围在理论上可以是0～+∞，当闭锁完全失效时，闭锁和悬挂弹簧的刚度为悬挂弹簧刚度，当闭锁达到理论的刚性闭锁效果时，悬挂弹簧和闭锁机构可以认为是一个刚体。

对于轮式机械而言，I、IV桥的刚度是由两部分：一是悬挂、闭锁弹簧kbx，二是轮胎kl，两者之间是串联关系，整体刚度k为

(7)

所以，对于轮式车辆机械而言， 安装闭锁机构的某桥刚度值小于kbx和kl中的最小值。悬挂、闭锁机构的刚度小于轮胎刚度时，车辆悬挂刚度小于悬挂、闭锁机构刚度；闭锁机构即使实现理想的完全闭锁，该桥最大刚度不会大于轮胎自身刚度。这就导致了对于轮式车辆而言，闭锁机构对降低车体俯仰角的贡献是具有上限的。

图4　车体俯仰角随I、IV桥刚度变化规律

3闭锁机构有效性测量实例方法分析

从上述分析可以看出，闭锁机构的状态对车辆稳定性的影响是比较大的。在轮式机械中，安装闭锁机构的某桥的刚度小于两者中的任一个，而桥的刚度直接影响机械作业稳定性。在闭锁机构的实际结构中，完全闭锁是一个理想状态，这是由于在闭锁机构的油路中不可避免的存在气泡等不利于闭锁实现的因素存在，导致闭锁机构不能达到完全闭锁状态。在这种情况下，迫切需要对车辆闭锁机构的有效性进行检验，以确定车辆的作业稳定性。

一般来说，闭锁机构的液压缸是不允许有内泄等问题存在的，也就是说只要闭锁机构出现泄压等问题，闭锁机构就可以被认为是失效。但是由于通过上述分析可以看出，闭锁机构只要存在刚度，其对作业稳定性的影响就是正的。在这种情况下，如果以是否有泄压现象判别闭锁机构的有效性就过于严格。所以在实际评价过程中，允许闭锁缸存在内泄等导致压力泄露等问题的存在。

如果允许闭锁液压缸出现内泄现象，在一定的高压状态，压力的下降和液压油泄露量之间的关系为

dp/dt=Q×k/V

(8)

式(8)中：p为液压缸压力；Q为泄漏量；k为液压油体积弹性模量；V为高压腔容积。

根据式(8)可以看出，如果液压缸出现泄露现象，随着时间的推移，闭锁缸内部压力会逐渐下降，直至完全失效。如果闭锁油缸允许压力降低，在判别闭锁油缸有效性的测试中就需要考虑以下几个方面的问题。

1) 界定闭锁油缸在提升作业稳定性效果的具体指标，如假定闭锁油缸有效时，车体俯仰角较不采用闭锁机构时的俯仰角减小的百分比为定量指标。这也是闭锁机构设置的经济性、有效性、必要性的需求；

2) 需要根据机械要求的作业时间，以及对闭锁机构进行补压维护的维修时间间隔，确定闭锁油缸的有效性时间，进而明确闭锁油缸的最大允许泄露量；

在上述2点基础上，就可以实现对闭锁机构的有效性测试和判定，其测试路线图如图5所示。

图5　闭锁机构有效性试验方法路线

由式(8)可知，闭锁油缸的刚度在加载力变化不大的情况下，刚度与闭锁油缸的沉降量成正比例关系。因此，对于闭锁油缸的有效性检验，可以通过确定闭锁油缸有效时的刚度下限值，分析闭锁油缸在固定力加载下的沉降量，以该沉降量为评价标准，对闭锁油缸进行有效性评价。

综合考虑闭锁机构的效能和价格，轮式推土机械检测机构在确定闭锁机构有效时，暂时确定：在设计的最大提升力作用下，相对于不采用闭锁机构，车体的俯仰角最少降低一定的百分比(如20%)才可认为有效。

同时为了试验的方便，施加在闭锁机构上的固定加载力可以通过下压铲刀、使轮胎抬起、执行闭锁、提升铲刀的方法实现对闭锁机构的定值加载。基于上述分析及对闭锁机构刚度与车体俯仰角间关系的理论分析，如果降低俯仰角度比例为20%，则某型轮式推土机械I、IV桥的刚度不能小于***kN/m。进而结合闭锁油缸的结构及油液特性，推导出一桥闭锁机构在承受固定负载情况下闭锁油缸的沉降量。以该沉降量作为评价闭锁是否有效的评价指标。该方法在轮式推土机械评价中得到了认可和实施。

4结论

通过建立推土机械整机简化模型，以闭锁机构作用时的推土作业稳定性为目标，分析了作业悬挂系统中的闭锁机构刚度与整机俯仰角之间的关系：在一定的最大提升阻力作用下，车体的俯仰角会随着I、IV桥刚度的增大而减小；车体俯仰角的变化率随着I、IV桥刚度的逐渐增加而减小，即随着刚度的增加，相同的刚度增量带来的车体稳定性效果越来越不显著。研究表明可以通过对闭锁机构的沉降量来间接评价悬挂系统的有效性。最后通过实际测试分析，证明了测试方法的正确性，为闭锁机构的设计、试验测试和评价提供了支撑。

参考文献：

[1]吴永平.工程机械可靠性[M].北京:人民交通出版社,2009.

[2]牟致忠.机械可靠性理论、方法、应用[M].北京:机械工业出版社,2011.

[3]ISO13562-2000,Industrialvariable-reachtrucks-part1:Stabilitytests[S].

[4]何熴.车辆整车建模与动力学仿真[D].南京:南京理工大学,2009.

[5]汤久望,王红岩,张欲宝,等.履带式军用工程机械推土作业时悬挂闭锁策略研究[J].兵工学报,2011,32(9):1149-1153.

(责任编辑唐定国)

收稿日期：2014-10-16

基金项目：装备重点研究项目

作者简介：陶帅(1985—)，男，博士，主要从事振动冲击防护、微隔振和试验鉴定研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.036

中图分类号：TH17

文献标识码：A

文章编号：1006-0707(2015)07-0144-04

本文引用格式：陶帅，林浩洋，郝刚，等.轮式推土机械悬挂闭锁有效性评价方法分析[J].四川兵工学报，2015(7):144-147.

Citation format:TAO Shuai, LIN Hao-yang, HAO Gang, et al.Analysis on Availability Evaluation Method of Suspension Atresia of Wheel Bulldozer [J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):144-147.

Lhasa, 851400, China; 3.Mechanical Purchasing Station, Beijing 100120, China)

Abstract:For the demands of driving and operation stability of four axle’s wheel bulldozer, engineer designed a new hitch which combined the hanging and blocking. Because the new hitch could not get ideal hanging actual, the hanging system may have problems, such as leakage and oil pollution, the evaluation of blocking becomes a necessary work. For researching the influencing factor’s action principle and getting suitable evaluation method, a simple model of whole bulldozer was built by the aim of bulldozer’s stability, the result shows that the evaluation of blocking’s availability could be getting by the cylinder’s tolerable settlement. The research result offers supporting for hitch’s blocking evaluation.

Key words:wheel; bulldozer; hanging; blocking; evaluation

【机械制造与检测技术】