地下鏟運(yùn)機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

張金鵬，趙國(guó)勇

（山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000）

1 鏟運(yùn)機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 工作裝置概述

鏟運(yùn)機(jī)在實(shí)際工作中，由于結(jié)構(gòu)的多樣，在不同工況下的作業(yè)效率常呈現(xiàn)較大差異，作業(yè)循環(huán)周期和鏟運(yùn)機(jī)整體的外形尺寸也有不同。六桿結(jié)構(gòu)是工作中較常出現(xiàn)的鏟運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)類型，由連桿、大臂、鏟斗、油缸等部分組成。鏟運(yùn)機(jī)的工作裝置通過(guò)鉸接安裝在前車架上，控制轉(zhuǎn)斗油缸，通過(guò)連桿傳遞完成鏟斗的鏟取和卸載工作，舉升油缸同樣通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)控制大臂升降。

1.2 工作裝置的工作過(guò)程

鏟運(yùn)機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)是車架以及動(dòng)力油缸等配合工作的體現(xiàn)，舉升油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的伸縮控制是其主要?jiǎng)恿?lái)源。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，鏟運(yùn)機(jī)的工作狀態(tài)主要分為以下五種：（1）插入工況：鏟運(yùn)機(jī)大臂下降，到其貼到前車架前面的支撐墊片上，這時(shí)鏟斗處于地面上，斗尖與地面接觸，斗尖與地面的傾角為約為5°左右，準(zhǔn)備工作結(jié)束后開(kāi)動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)，通過(guò)鏟運(yùn)機(jī)機(jī)身的移動(dòng)使鏟斗插入料堆。（2）運(yùn)輸工況：鏟斗鏟取物料后使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)，直到鏟斗口處于近似水平位置，保證物料滑落量最小。收斗完成后舉升大臂，達(dá)到稍高于地面，且不影響操作員視野的位置，并且保持這種狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到卸載物料目的地。（3）重載舉升工況：鏟運(yùn)機(jī)完成物料裝載準(zhǔn)備卸載時(shí)舉升大臂至卸載高度。（4）卸載工況：鏟運(yùn)機(jī)在卸載位置，使鏟斗到達(dá)卸載高度后通過(guò)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)斗油缸，鏟斗向下傾斜，完成物料卸載作業(yè)，卸載完成后使鏟斗放置在常規(guī)運(yùn)輸位置。（5）自動(dòng)放平工況：鏟運(yùn)機(jī)完成卸載作業(yè)后，將大臂下降至鏟取位置，鏟斗將自動(dòng)由卸載時(shí)的45°左右翻轉(zhuǎn)到鏟斗與地面保持5°左右傾角的位置，在鏟斗放平狀態(tài)下可直接進(jìn)行鏟取作業(yè)。

1.3 工作裝置設(shè)計(jì)的基本要求

轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)是鏟運(yùn)機(jī)工作裝置中的主要機(jī)構(gòu)，對(duì)于轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要其在工作中能夠提供足夠的鏟取力，在鏟取過(guò)程中受到鏟取阻力的情況下依然能夠平穩(wěn)完成作業(yè)。由于鏟運(yùn)機(jī)多變的工作環(huán)境，模擬實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的作業(yè)情況時(shí)，應(yīng)注意以下幾方面的設(shè)計(jì)要求：

（1）工作中鏟斗角度要求：為了保證鏟斗中物料完全卸載，需要鏟斗角度在45°左右，同時(shí)需要達(dá)到所要求的卸載距離與卸載高度；運(yùn)輸時(shí)，后傾角需要保持在45°；當(dāng)鏟斗放平時(shí)，斗底與地平面的夾角約為5°左右；鏟裝作業(yè)時(shí)，斗底與地平面的夾角約為15°。（2）作業(yè)運(yùn)動(dòng)要求：要求鏟運(yùn)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度和加速度的變化在合理的范圍內(nèi)。（3）鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力要求：鏟取時(shí)，為了獲得較大的有效分，傳遞角（連桿線與斗鉸線夾角）應(yīng)該接近90°左右；運(yùn)輸時(shí)，需要控制夾角在170°以內(nèi)，防止灑落。鏟斗在最高位置時(shí)，傳動(dòng)角需大于10°，防止機(jī)構(gòu)自鎖；在對(duì)搖臂進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以在不影響作業(yè)效果的前提下設(shè)計(jì)的短一些，這工作裝置工作效率的提高有著一定的促進(jìn)作用。

2 鏟運(yùn)機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性主要是地下鏟運(yùn)機(jī)在巷道或斜坡道行駛和作業(yè)過(guò)程中抗傾翻的能力，抗傾翻性是保證鏟運(yùn)機(jī)能夠穩(wěn)定、安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

通過(guò)穩(wěn)定比、穩(wěn)定度來(lái)評(píng)價(jià)地下鏟運(yùn)機(jī)在不同路況上行駛或靜置的穩(wěn)定性表現(xiàn)，其中最常見(jiàn)的是分析研究鏟運(yùn)機(jī)在下坡行駛以及斜坡靜置的情況下是否會(huì)發(fā)生側(cè)翻等事故。穩(wěn)定比是指地下鏟運(yùn)機(jī)在巷道或者斜坡道時(shí)，尤其是在物料載荷的作用下，鏟運(yùn)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的傾翻力矩與其平穩(wěn)力矩的比，用K表示，即：

滿載的鏟運(yùn)機(jī)停在水平面上，動(dòng)臂水平伸出時(shí)的穩(wěn)定比為：

式中，Q為地下鏟運(yùn)機(jī)的額定載重量；G0為地下鏟運(yùn)機(jī)的操作重量；G2為空載時(shí)地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)臂水平伸出時(shí)后橋的負(fù)荷；L為地下鏟運(yùn)機(jī)的軸距；L1為鏟運(yùn)機(jī)額定載重下重心與前橋中心線的水平距離；L2為空載狀態(tài)下中心與前橋的水平距離。

K=1時(shí)，則穩(wěn)定力矩M穩(wěn)定等于傾翻力矩M傾翻，此時(shí)，地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定水平處于穩(wěn)定邊緣；K＜1時(shí)，M傾翻＜M穩(wěn)定地下鏟運(yùn)機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)；K＞1時(shí)，M傾翻大于M穩(wěn)定，此時(shí)，地下鏟運(yùn)機(jī)將會(huì)傾翻。

穩(wěn)定度是指地下鏟運(yùn)機(jī)處于斜坡時(shí)表現(xiàn)出的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。發(fā)生傾翻時(shí)的坡度角，稱為失穩(wěn)角。若將失穩(wěn)角以坡度來(lái)表示即α、β的正切值，排除鏟運(yùn)機(jī)輪胎變形的影響因素，可以將其縱向穩(wěn)定度用下列方程表示：

橫向穩(wěn)定度可以表示為：

顯而易見(jiàn)，當(dāng)?shù)叵络P運(yùn)機(jī)所行駛的坡道角小于穩(wěn)定度，則不會(huì)發(fā)生傾翻。如果鏟運(yùn)機(jī)停放或是行駛的坡道角大于穩(wěn)定度，則會(huì)出現(xiàn)傾翻現(xiàn)象。很多情況下，雖然其穩(wěn)定度表現(xiàn)一致，鏟運(yùn)機(jī)在這一坡道上平穩(wěn)行駛?cè)杂酗L(fēng)險(xiǎn)，因此要保證地下鏟運(yùn)機(jī)在坡道上滑移或滑轉(zhuǎn)先于傾翻，即：

式中，l2為重心與后橋的水平距離；h為重心高度；φ為附著系數(shù)；B為地下鏟運(yùn)機(jī)輪距。

鏟運(yùn)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，輪距相對(duì)較小。因此，在進(jìn)行鏟運(yùn)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)降低鏟運(yùn)機(jī)重心高度來(lái)滿足上式條件。

2.1 鏟運(yùn)機(jī)的縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性

（1）縱向穩(wěn)定性。鏟運(yùn)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中較容易發(fā)生縱向傾翻的工況主要有以下三種：①鏟運(yùn)機(jī)滿載狀態(tài)下處于縱向斜坡上且動(dòng)臂最大伸出時(shí)；②鏟運(yùn)機(jī)滿載狀態(tài)下在下坡路段行駛運(yùn)輸時(shí)；③鏟運(yùn)機(jī)空載狀態(tài)下上坡行駛。

鏟運(yùn)機(jī)傾翻發(fā)生時(shí)，前輪完全承擔(dān)機(jī)身總重量，這必然導(dǎo)致鏟運(yùn)機(jī)前輪出現(xiàn)明顯形變，后輪形變消失，后驅(qū)動(dòng)橋的負(fù)荷為零。使得鏟運(yùn)機(jī)在臨近傾翻之前就己出現(xiàn)了一個(gè)傾斜角度。因此，計(jì)算鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定度時(shí)，需考慮前輪的形變，則地下鏟運(yùn)機(jī)在斜坡作業(yè)時(shí)的縱向穩(wěn)定度應(yīng)按下式計(jì)算：

式中，Ls為滿載時(shí)，地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)臂水平伸出時(shí)整機(jī)重心至前橋的距離；Hs為滿載時(shí)，鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)臂水平伸出時(shí)重心的高度；L為鏟運(yùn)機(jī)軸距；δ1為鏟運(yùn)機(jī)前輪在載荷作用下發(fā)生變形與水平位置時(shí)前輪變形量之差；δ2為水平停放時(shí)后輪胎的變形量。

通過(guò)以上分析可以了解到，鏟運(yùn)機(jī)滿載情況下在坡道上動(dòng)臂最大伸出時(shí)是鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性最差的時(shí)刻。

（2）橫向穩(wěn)定性。因?yàn)榈叵络P運(yùn)機(jī)擺動(dòng)橋橫傾翻情況下，先是繞由固定橋側(cè)輪接地點(diǎn)和與縱向水平鉸銷中點(diǎn)三點(diǎn)組成的，所以地下鏟運(yùn)機(jī)的一級(jí)穩(wěn)定性是指坡底線與傾翻軸在橫坡的投影平行時(shí)的穩(wěn)定度，由下式表示：

2.2 影響地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的主要因素

通過(guò)對(duì)鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程和穩(wěn)定性的研究，發(fā)現(xiàn)影響鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的主要因素包括軸距和輪距兩個(gè)方面：

軸距對(duì)鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性影響很大。通常情況下，軸距越長(zhǎng)，鏟運(yùn)機(jī)工作過(guò)程中的側(cè)向穩(wěn)定性和縱向穩(wěn)定性表現(xiàn)越好。軸距越長(zhǎng)，前后輪分配到的側(cè)偏力越均衡；軸距約短，側(cè)偏力差值越大。當(dāng)側(cè)偏力過(guò)大，突破了輪胎附著極限的程度，該車輪就會(huì)發(fā)生側(cè)滑。另外，如果鏟運(yùn)機(jī)的軸距過(guò)大，車身的靈活性會(huì)下降，行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)彎半徑增大，機(jī)動(dòng)性大打折扣。因此，鏟運(yùn)機(jī)并不是軸距越長(zhǎng)操作性越好。

輪距的變化也會(huì)影響整車的穩(wěn)定性。在實(shí)際運(yùn)行中，輪距越大，整車的穩(wěn)定性越好。因?yàn)樵跈M向傾斜行駛過(guò)程中，外側(cè)車輪能夠?yàn)檐嚿硖峁└€(wěn)定的支撐，提升整車的安全性。除此之外，加寬輪距能夠給駕駛艙提供更大的空間，增加活動(dòng)范圍，提高操作者的舒適度。但是，隨著輪距加大，整機(jī)機(jī)身的寬度和重量通常也會(huì)增大，在這種情況下，進(jìn)行作業(yè)就會(huì)出現(xiàn)輪胎陷入后難以脫困等問(wèn)題。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中如果需要增加輪距，必須綜合考慮如外觀、部件的布置等多種因素。此外，還與輪胎剛度、整車質(zhì)心高度和車體擺動(dòng)結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)方面以及實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中涉及的性能參數(shù)、鏟運(yùn)機(jī)靜態(tài)以及作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，最后對(duì)影響地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的幾種常見(jiàn)因素進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)提出能夠有效提高鏟運(yùn)機(jī)工作過(guò)程中穩(wěn)定性的方法，這些方法以及理論是地下鏟運(yùn)機(jī)虛擬樣機(jī)的建模及靜態(tài)穩(wěn)定性的仿真分析工作的重要基礎(chǔ)。