全路面起重机转向特性的分析研究

2014-11-24宋志强史青录陈贯祥梁培根

建筑机械化 2014年1期

宋志强，史青录，陈贯祥，梁培根，邵波

（太原科技大学机械工程学院，山西太原 030024）

随着经济的发展和社会的进步，全路面起重机越来越多地应用于各种工程吊装领域。全路面起重机的每个车轮都可以根据实际工况参与转向，通过调整其转向时的重心侧偏角和横摆角速度，进而改善车辆的转向稳定性。低速时，全轮参与转向能够减小转弯半径而增加车辆的灵活性；其还具有爬坡能力强及蟹行转向的能力，使车辆迅速地离开或靠近作业区，提高了车辆的机动性。但随着底盘轴数的增加，全路面起重机在高速行驶的工况下操纵稳定性难以控制[1]。

本文以某七轴全路面起重机为研究对象,建立多轴全轮转向的二自由度动力学模型,在保证车辆转向过程中具有质心侧偏角为零的稳定性基础上，对其转向特性进行分析。

1 转向特性的动力学简化模型

坐标系定义如下:车辆行驶的方向为x轴正方向，垂直车身指向左侧为y轴正方向，垂直地面向上方向为轴正方向。根据汽车理论[2]及相关文献[3]，将全路面起重机简化为线性二自由度模型如图1所示。

根据汽车理论得全路面起重机的动力学方程为

图1 转向动力学模型

式中 u、v—— 分别为车辆质心处的速度在x、y轴上的分量(m/s);

M——车辆总体质量(kg);

I——车辆绕轴转动惯量(kg·m2);

ki——第i轴的综合侧偏刚度(N/rad);

di——第i轴车轮转角(rad);

ωr——车辆绕轴转动角速度(rad/s);

Li—— 车辆质心到第i轴轴线的距离(第i轴在车辆质心的前方取为正，第i轴在质心的后方取为负)(m);

kpi—— 第i轴与第一轴车轮转角之比。

2 转向特性的数学模型

为保证全路面起重机转向过程中具有稳定性和平顺性，采用质心侧偏角β为零的控制目标，这时质心侧偏角加速度β·、横摆角加速度ω·

及侧向加速度v·

均为零[3]，则由式(1)得

根据克莱姆法则得

式中 li—— 车辆转向中心在车身上的投影点到第i轴轴线中点的距离(m)，正负方向同 Li，li=Li-Δ。

Δ—— 车辆转向中心在车身上的投影点O到质心的距离(m)。

为保证车辆转向时各车轮做纯滚动运动，根据阿克曼定律得各轴车轮与第一轴车轮转角之比

3 实例分析研究

以某七轴全路面起重机为例，对其转向特性进行仿真分析，其主要技术参数[1]如表1。

表1 研究对象主要技术参数

对式(5)通过运用Matlab软件编程[4～6]得到图2。由图2可知，在转向过程中，转向中心随着车辆速度的提高而向后移动（图2中负数只表示向后的方向），其到车辆质心的距离不断增大，使全路面起重机在高速行驶状态下不易产生甩尾现象。对式(7)仿真得到图3曲线，由图3可知，在保证车辆转向时的质心侧偏角为零时，转向中心到第一轴的距离随着速度的提高而增大，即转向中心到质心的距离随车速的提高而增大。所以，从2个角度都得出了同样的转向特性。