走過路過不要錯過
作者：梁 康 相輝玉 張 勇
摘 要：機架是三角履帶總成關鍵支撐結構，其模態特性直接影響高速履帶總成的高速行駛穩定性。針對50 km/h高速三角履帶總成機架，分析其結構承載及張緊拉力，採用有限元分析機架的應力狀態。然後，以該應力狀態為基礎，開展機架的模態分析。針對三角履帶總成的模態特性，給出橡膠履帶花紋間距的數值範圍，為三角履帶總成的結構優化設計及性能研究提供參考。
0 引言
現有工程車輛底盤的行走方式主要包含橡膠輪式和金屬履帶式。橡膠輪式底盤具有行駛速度快、機動靈活等優點，但存在泥濘、冰雪等複雜路況適應性不足的缺點。金屬履帶式底盤具有承載能力強、環境適應性強等優點，但同時存在行駛速度低、整機質量笨重、易損傷路面等缺點。為克服以上兩種常見行走方式的缺點，三角履帶總成逐步得以推廣應用。三角履帶總成採用橡膠履帶，具備行駛速度快、接地面積大、環境適應性強、承載能力大、不損傷路面等優點，廣泛應用於農業機械、搶險救援、雪地作業、地質勘探和軍用設備等。
針對三角履帶總成相關技術及理論問題，國內外科研機構的眾多學者及技術人員針對三角履帶總成開展廣泛的技術研究。
其中，呂凱[1] 等綜述三角履帶總成的國內外研究現狀、設計要點及難點、行駛性能和接地壓力等關鍵性能，同時針對可能出現的各類設計及使用風險，開展細緻的分析。王攀然[2] 等針對三角履帶支撐架的共振及疲勞等問題，建立三角履帶支撐架有限元模型，藉助Ansys Workbench 有限元軟體對三角履帶支撐架進行模態分析，得到各階頻率、對應的振型及應變雲圖。趙子涵[3] 等首先對不同載荷下橡膠履帶輪在堅實地面和鬆軟地面的接地壓力進行測試。根據測試結果提出一種橡膠履帶輪靜態接地壓力分布數學模型，履帶長度方向的接地壓力採用二次餘弦函數表示，履帶寬度方向的接地壓力採用線性函數表示。王天昊[4] 分析三角履帶輪系各構件的功能以及內部力的分配。在受力分析的基礎上，結合地形隨機不平度函數、牛頓歐拉法與迭代法，建立三角履帶輪動力學模型。根據三角履帶輪的動力學模型，在RecurDyn中建立了三角履帶輪的聯合仿真實驗平臺，利用動力學模型對三維仿真模型的運動進行控制，在多種複雜環境下對聯合仿真實驗平臺進行仿真實驗，對三角履帶輪的環境適應能力進行驗證。
本文針對高速三角履帶總成機架，分析其靜載受力工況，仿真分析獲得其預應力狀態，並以此為基礎分析預應力條件下的機架模態特性。
1 機架靜載受力分析
依據三角履帶總成承載工況，分析三角履帶總成機架的結構受力邊界條件，有限元分析機架靜載應力分布狀態。
1.1 靜載受力工況分析
靜載狀態下，三角履帶總成機架主要承擔車橋傳遞至驅動輪的載荷G 0、機架的重力G 1、橡膠履帶張緊導致驅動輪承載的F 1、張緊液壓缸產生的反作用力F 2、負重輪軸產生的向上的支撐力F 4 和F 5 以及橡膠履帶張緊導致導向輪產生擠壓力F 6，見圖1 和圖2，載荷數值見表1。
圖1 三角履帶總成載荷分析
圖2 機架載荷示意圖
1.2 機架靜載應力分析
針對三角履帶總成機架，採用Ansys Workbench 靜力學分析模塊開展機架應力狀態分布的仿真分析。首先，劃分三角履帶總成機架的網格，設置材料屬性為Q550鋼材，然後依據表1 機架載荷明細設置其受力邊界條件，分析獲得機架的應力分布狀態。分析結果表明，機架的最大應力約為327 MPa。
圖3 機架劃分網格
圖4 機架應力分布圖
2 模態分析
2.1 模態分析的理論基礎
模態分析是動力學分析的基礎，其主要目的是確定機構的振動頻率、振型和應變，用於解決機構的振動及噪聲問題。根據達朗貝爾原理，建立動力學運動方程。多自由度系統的振動方程為
2.2 預應力狀態下模態分析
針對三角履帶總成機架，以靜載狀態下的應力分布為基礎，開展機架模態分析，獲得其前階振型頻率及最大位移量，見圖5~圖7以及表2。
圖5 第一、二階振型圖
圖6 第三、四階振型圖
圖7 第五、六階振型圖
3 履帶花紋間距
為保障橡膠履帶的散熱、降低摩擦阻力和增大抓地力，橡膠履帶表面均配置有形狀和尺寸各異的胎面花紋，沿橡膠履帶軸向存在間距各異的凸起與凹槽。由於凸起處與凹槽處的橡膠履帶厚度發生劇烈變化，導致兩處的剛度劇烈變化。
圖8 橡膠履帶胎面花紋側向剖面
在硬地面行駛過程中，負重輪周期性的碾壓在橡膠履帶的凸起與凹槽，導致機架受周期性的衝擊載荷。
依據振動機械設備的常用設計經驗，要求衝擊載荷的頻率
4 結論
針對三角履帶總成機架，依據結構承載工況，分析其靜載受力邊界條件，採用Ansys Workbench 分析機架應力分布狀態，並進一步分析其模態特性。分析結果表明，機架的最大應力為237 MPa，前6 階模態如表1所示。
依據振動機械設計經驗，設定機架受到的衝擊載荷的頻率與履帶花紋間距及最大車速的關係。以最大車速50 km/h 為例, 履帶花紋的間距d≥0.148 m。