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3 平地机机构运动仿真
平地机通过工作装置的调整，使铲刀在各种不同位置上完成各种不同的土方工程作业，归纳起来有四种基本作业方法：（1）铲刀刮土直移：此种作业方式适合场地平整和整型作业，也可用来铺散路面铺筑材料；（2）铲刀刮土侧移：常用于场地平整、路基整型、回填沟渠、铺散或路拌铺筑材料；（3）铲刀机外刮土：用于修整路基、边坡或开挖边沟；（4）铲刀刀角铲土侧移。在本次机构仿真过程中，笔者仅模拟了平地机以下几种动作：（1）铲刀刮土直移；（2）铲刀沿左、右刮90o侧坡；（3）松土器动作；（4）推土板动作。
平地机的传动系统不同于其他工程机械，为了保证作业的平整度，通常采用平衡箱，其原理是：发动机输出的动力经液力变矩器—变速箱输出轴，经万向节传动轴输入三段型驱动桥的主传动装置，主传动装置设有自锁差速器，左右半轴分别与左右行星减速装置（如图3）的太阳轮相连，动力由齿圈输出，然后输入左右平衡箱轮边减速装置，通过重型滚子链轮减速增扭，再经半轮驱动轴驱动左右驱动轮，使平地机获得牵引力。其原理如图5所示：
图5 后桥传动系统图
3．1 输入函数的说明
平地机在作业过程中，首先通过泵和油缸将铲刀调整到所需要的位置，然后进行作业。为了更为实际的仿真平地机的运动，在本例中采用了I-DEAS内置的STEP函数。STEP函数是一种阶梯函数，其函数格式与定义为：
STEP(x，x0，h0，x1，h1)
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3．2 运动仿真
3．2．1 施加运动
运动就是指示机构运动的函数表达式，运动定义了零件如何沿某一特定方向移动。在本例中，共对10个运动副施加了运动(运动副定义如图2所示)。
（1）MOTION1：translational2(前桥与地面) ；（2）MOTION3：revolute9；
（3）MOTION7：translational25； （4）MOTION8： translational26；
（5）MOTION9：translational27； （6）MOTION10： revolute28；
（7）MOTION11：translational29； （8）MOTION12： revolute30；
（9）MOTION13： translational37； （10）MOTION14： translational41。
铲刀刮土直移时所施加运动组：
MOTION1：-40； MOTION3：-0.022； MOTION7：step(t,100,-2.6,105,0)；
MOTION8：step(t,100,-2.6,105,0)； 其余为0。
铲刀沿左刮90o侧坡所施加运动组：
MOTION1：-40； MOTION3：-0.022； MOTION7：step(t,100,-2.6,105,0)； MOTION8：step(t,200,2.5,210,0)； MOTION9：step(t,300,0.1,310,0)； MOTION10：step(t,200,0.00035,105,0)； MOTION11：step(t,1,950,2,0)； MOTION12：step(t,100,0.001,105,0)；MOTION13：step(t,150,-0.5,160,0)； MOTION14：step(t,150,1,160,0)。
铲刀沿右刮90o侧坡所施加运动组：
MOTION1：-40； MOTION3：-0.02 MOTION7：step(t,200,2.6,210,0)； MOTION8：step(t,100,-2.7,105,0)； MOTION9：step(t,300,-0.1,310,0)； MOTION10：step(t,200,-0.00035,105,0)； MOTION11：step(t,1,-800,2,0)； MOTION12：step(t,100,-0.001,105,0)；MOTION13：step(t,150,-0.5,160,0)； MOTION14：step(t,150,1,160,0)。
纯推土板动作时所施加运动：MOTION13：step(t,150,0.8,160,0)，其余为0。
纯松土器动作时所施加运动：MOTION14：step(t,150,1.5,160,0)，其余为0。 3．2．2 仿真结果及其分析 为了更形象、更科学的说明仿真效果，现以平地机铲刀沿左刮90o侧坡为例说明，在此仿真过程中，所有长度单位为毫米，设置Steps(求解步数)为800，End time(结束时间)为2200秒。
下图为上述所给条件下铲刀沿左刮90o侧坡时在四个不同时间点的机构仿真图像：
t=0秒时平地机机构仿真三维图像 t=55秒时平地机机构仿真三维图像 t=11 0秒时平地机机构仿真三维图像 t=308秒时平地机机构仿真三维图像
在t=0秒时：平地机处于初始状态；
t=0～55秒时：左右提升油缸和摆动油缸动作及其回转圈绕牵引架回转和铲刀沿回转圈侧向移动，使得铲刀侧向摆动，此时摆动幅度不是很大；
t=55～110秒时：左提升油缸达到最大位置停止运动，右提升油缸、回转圈和铲刀继续动作，最终使铲刀继续侧向摆动；
t=110～308秒时：同t=55～110秒，左提升油缸停止运动，右提升油缸、回转圈和铲刀动作，使铲刀侧向摆动到最大（即从驾驶室向前看，铲刀下边缘与地面成90度夹角）；
t=308～2200秒时：平地机各工作装置停止运动，铲刀以左侧摆动到90度后向前运动。
不难看出，此仿真过程与平地机实际作业过程一致，即仿真过程很好的模拟了平地机实际工作效果。根据给出的运动组，利用I-DEAS求解器进行求解，也可以得出铲刀及其他工作装置的位移、速度和加速度随时间变化的规律。图6为铲刀沿左刮90o侧坡时，铲刀随时间变化的加速度曲线：
图6 平地机铲刀加速度随时间变化图
结果分析：由上图可以看出，铲刀在t=100s时，加速度有一个峰值，在t=300s以后，其加速度为0。因为铲刀运动是左右提升油缸、摆动油缸及回转圈和铲刀自身移动的结果，在t<100s时，其各个部件匀速运动，其合成的结果使铲刀加速度波动不大；t=100s时，由于左提升油缸停止运动，从而导致合成速度变化比较大，使加速度呈现峰值；100s 平地机工作机构和驱动机构是两个相对独立的运动系统，为了更深入、详细的研究齿轮传动机构及其力学性能，我们将其分开进行了机构仿真。在steps为100，End Time为1，传动轴转速为20r/s的条件下，进行主传动装置动力学分析时，我们发现差速器发生了谐波振动，求解后的时间-加速度曲线如下。
通过分析，我们发现差速器在建模过程中产生了一个偏心质量。通过多次修改，消除了偏心质量后，使得其时间-加速度曲线变为一条水平曲线，符合了设计要求。 
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