大型重载步履式全地形移动回转平台结构静力学分析

刘庆伦，赵江平

（中山火炬职业技术学院，广东 中山528436）

0 引言

1 平台的基本结构

大型重载移动平台可以作为大型重载工程机械或矿山设备的底盘。在这样的平台上安装起重设备就可以成为移动式起重机、安装斗轮和输送带就可以成为料场堆取料机、安装破碎机就可以成为矿山移动破碎工厂、安装装卸机械和输送带就可以成为港口装船机或卸船机，因此，大型重载移动平台在料场、矿山和港口等有着广泛应用。

全方位移动平台是一类在平面上具有三自由度运动的平台，它可实现前后、左右平移、中心转向及其复合运动[1，2]。张豫南等针对麦克纳姆轮式全方位移动平台存在路面适应性差等问题，提出了“全方位移动履带”的结构，并研制出一种履带式全方位移动平台，完成了平台的平顺性，试验验证了仿真结果的正确性，改善麦克纳姆轮轮式全方位移动平台的路面适应性[3]。王慰军等设计了一种基于驱动万向轮的全向移动平台，克服了麦克纳姆轮的缺点，提高了移动平台的运动稳定性，并为移动平台运动控制和离线编程提供了依据[4]。

轮轨式平台在轨道上行走，移动平稳、所需功率小，但只能在有轨范围内活动。履带式平台行走灵活，移动范围大，但所需功率大，地面压力大，对地形的要求高。本文针对目前这两种形式的移动平台特点进行改进，采用步履移动加回转方式实现大型重载平台全地形的移动和回转。

本文针对目前这两种形式的移动平台特点进行改进，采用步履移动加回转方式实现大型重载平台全地形的移动和回转。该结构采用了步履移动加回转方式实现大型重载平台全地形的移动和回转，其结构如下：

（1）采用双层平台结构、四脚步履方式实现平台平移和回转支撑方式实现平台旋转；

（2）采用四脚独立控制的液压系统驱动和独立控制的液压支撑、导向，实现大型重载平台的全地形行走；

（3）采用平台重心跟踪和轨迹控制系统实现地形分析、重心轨迹自动控制和跟踪。

双层平台结构：采用内外层结构，外层结构主要用于承载、内层结构主要用于行走；四脚步履：结构下方安装四只（或多只）大脚，液压驱动前后滑动，实现步履式移动；回转支撑：采用液压支撑和轴承回转，实现平台支撑和旋转；重心跟踪和轨迹控制：平台重心实时跟踪和自动优化轨迹控制，实现大型重载平台全地形行走。如图1所示。

图1 平台的基本结构

2 平台的静力学分析

在静力学分析过程中对平台的基本机构进行简化，自上而下保留承载支撑、回转支撑以及下部支撑三部分。平台的整体尺寸为8 000×8 000×3 600（mm），材质选用普通碳钢，其力学性能为弹性模量E为210 GPa，泊松比0.28，屈服强度为220 MPa，负载为均布承载平台圆面向下200 t承重。使用ABABQUS商业有限元软件对整体模型进行静力学分析，网格属性为C3D10，有限元模型如图2（a）所示。

图2 移动平台有限元分析

如图2（b）所示，在外部均布负载作用下，平台的承载支撑部分应力分布较均匀，但是在平台支腿部分出现微弱的应力集中问题。如图2（c）所示，回转支撑与下部支撑四个支脚上部相连的位置造成了明显的应力集中问题；同时，下部支撑的支脚也存在应力集中问题。如图2（d）所示，平台在负载作用下位移应力云图所示，平台整体在负载作用下向下凹陷，平台的承载支撑以及下部支撑的支脚变形趋势主要向内弯曲。结合应力与位移云图，可以通过改变支脚结构，增加加强筋的方式改善应力集中及位移量大的结构性问题。

3 平台移动的质心分析

质点系的质心是质点系质量分布的平均位置。本平台系统简化为三部件系统，分别是承载支撑、回转支撑、下部支撑。设质点系由3个质点组成，它们的质量分别是承载支撑m1、回转支撑m2以及下部支撑m3.采用r1、r2、r3分别代表承载支撑m1、回转支撑m2以及下部支撑m3对应的矢径。平台质心的矢径式如图3所示，以移动平台回转支撑上部圆心作为坐标系原点，移动平台的三个重要部件的质量m1=197 000 kg，r1=（x1，y1，z1）=（0，0，470）；m2=6 500 kg，r2=（x2，y2，z2）=（0，0，-208）；m3=48 500 kg，r3=（x3，y3，z3）=（0，0，-565）。如图4是移动平台在运动过程中的相对位置示意图。回转支撑上部圆心作为坐标系原点的坐标系中平台质心坐标为（XP、YP、ZP）.m1、m2相对位置固定，其矢径r1、r2不变，m3在移动过程中质心坐标在（-A，0，-565）到（A，0，-565）之间，A 为下部支撑的前移动极限。平台质心坐标XP上部支撑的长度C、下部支撑跨度B以及移动的极限A相关，通过平台结构优化设计尺寸可以保障平台移动稳定性的前提下提升平台的移动效率。

（续下图）

（接上图）

图3 移动平台重要部件质心位置

图4 移动平台运动时部件相对位置示意图

4 结束语

本文介绍了大型重载步履式全地形移动回转平台结构，包括承载平台、回转支撑等9部分结构，通过静力学有限元分析的方法对平台的受力状态进行了分析，掌握了该类型结构的受力变形趋势，平台在负载作用下，变形的主要发生处为四个支脚，变形趋势为向内弯曲变形，为平台的结构优化设计提供了设计理论基础。

在对大型移动平台重要部件的质心、质量等信息进行分析的基础上，得到承载支撑m1、回转支撑m2以及下部支撑m3的质量以及各自的质心坐标，在平台装配体中对平台移动过程中质心分布的影响因素进行了理论分析，得出质心的移动坐标与平台移动极限、下部支撑的尺寸以及平台尺寸间的关系。