步履式挖掘机可空投能力分析

2018-11-22俞垚魏王新晴

建筑机械 2018年11期

俞垚魏，王新晴，王东，左帅，华夏

（中国人民解放军陆军工程大学，江苏南京 210007）

步履式挖掘机是一种全地形挖掘机，是对普通履带式挖掘机功能的拓展和延伸，履带式挖掘机功能强大，动力强劲，但受到履带结构的限制，在遭遇崎岖、泥泞、陡峭等复杂环境时，无法安全高效率地工作。步履式挖掘机是由工作装置、回转机构、上车、下车和液压系统组成，下车有4条带有行走轮的支腿来支撑起整台挖掘机，由4个液压缸单独控制4条支腿，进行纵向、横向和垂直方向上的调节，使挖掘机在凹凸不平和狭小地带时也能够作业（见图1）。

图1 步履式挖掘机

然而，我国是世界上发生地质灾害较多的国家之一，地质灾害发生的强度大、分布地域广、频率高、灾害情况严重，因此造成了严重的路面损毁，普通轮式载具无法在短时间内到达，没有及时的救援造成了进一步地人员伤亡和经济财产损失。虽然步履式挖掘机的作业范围要比普通履带式挖掘机广，但是在遇到地质灾害毁坏道路时，步履式挖掘机只能在外围进行救援，无法深入一线。因此采用超低空投放步履式挖掘机进入灾区深处是一种行之有效的方法。

超低空空投［1］是指飞机从几米高的飞行高度利用牵引伞系统将固定在底部装有可解脱装置的平台上的物资设备牵引出货舱直接投放至地面的空投方式，或者是直升机降落到指定超低空高度释放绳索，投送装备。本文讨论采用直升机超低空空投。

当进行超低空投放时，由于深入救灾现场，现场没有直升机坪与良好的气候条件、地面地形复杂、直升机稳定悬停困难，因此在空投着陆时会发生各种形式的损伤，这些损伤轻则导致部件变形损坏，重则导致整台机器损毁，延误救援进程。

目前，我国已经具备了空降战车的空投能力。空投战车属于外形规则的装备，经过合理的缓冲包装后，质量均匀，很少出现大角度质量偏移的问题。且由于战车是用于作战，外部是装甲钢板，本身含有一定的抗冲击功能，与文中研究的步履式挖掘机相比，具有以上2个优点。

因此，笔者以步履式挖掘机为研究对象，对未进行缓冲包装的装备进行理论分析和计算，分析仅2个小轮着陆、仅2个大轮着陆、4个轮子着陆和仅挖斗着陆4种极端情况，探讨了在有无货台的情况下，步履式挖掘机的侧翻角度，又分析了在有缓冲包装的情况下步履式挖掘机的工作臂、大支腿和小支腿在惯性作用下的冲击和相应的简易加固方法。

1 极端情况冲击分析

空投时，步履式挖掘机在下部安装有空投货台，空投货台下部装有缓冲气囊，着陆后气囊打开。挖掘机整体速度下降至3m/s，此时的着陆过载一般不大于20g［2］（见图2）。

本文考虑的是正常情况下完成空投着陆，正常着陆工况及边界条件：垂降，无横风，7m/s着陆初速，地面平坦，气囊完全打开。

图2 空投时速度与加速度曲线

在救灾现场可能造成以下极端现象的发生，以及救援车辆（装备）的重大破坏。以下是几种极端情况的冲击分析。

1.1 仅2个小轮着地承受冲击

FEF为小轮着地时受到冲击力，此时整车质量的一半作用于一个小轮上，小轮支腿受到冲击时绕D点旋转。LED是冲击载荷的力臂，长度600mm；FAC是小轮受到冲击时小支腿升降缸的反作用力，方向沿着液压缸向下；LCD是反作用力的力臂，长度250mm（见图3）。

图3 2小轮着地承受冲击示意图

8000×10×9.8/2N=392kN；

根据力矩平衡可以列出以下方程

得FAC=940.8kN；

小腿升降缸半径为50mm，面积为0.00785m2；

小腿升降杆半径为27.5mm，面积为0.0023 7462m2。

结论：该工况十分危险，若发生，则小支腿升降缸损毁，应避免。

1.2 仅2个大轮着地承受的冲击毁伤

当大轮着陆承担冲击载荷时，大支腿受力情况和大支腿升降缸受力如上，此时整车质量的一半作用于每个大轮上，大轮着陆时大支腿绕C点旋转。LCD为受到冲击时冲击载荷的力臂，长度1000mm；FAB为大支腿升降缸受到冲击载荷时的反作用力，方向沿着液压缸向外；LCB为反作用力的力臂，长度400mm（见图4）。

图4 2大轮着地承受冲击毁伤示意图

单个轮子受力，得392kN；

大腿升降缸半径50mm，面积为0.00785m2；

得124MPa。

结论：该工况十分危险，若发生，则大支腿升降缸损毁，应避免。

1.3 4个轮子着地承受的冲击毁伤

如图5所示，4个轮子着地。

图5 4个轮子着地承受的冲击毁伤示意图

得196kN；

大腿升降缸半径为50mm，面积为0.00785m2；

大腿升降杆半径为27.5mm，面积为0.00237 462m2；

小腿升降缸半径为50mm，面积为0.00785m2；

小腿升降杆半径为27.5mm，面积为0.00237 462m2；

结论：每个轮子承受的力为196kN，将产生严重毁伤，应尽力避免。

1.4 仅挖斗着地承受的冲击毁伤

当挖掘机处于仅挖斗着地时，挖斗受力和工作装置液压缸受力如图6：A点为挖斗受力点，冲击载荷力FAE为8000×10×9.8=784kN，LBO为力臂长度2000mm，O为动臂与车体的铰接点，整个动臂绕O点旋转，臂下方仅1个缸着力，FCB为动臂下液压缸受力的反作用力，方向向外，LOC为反作用力力臂，长度600mm。

图6 挖斗着地承受的冲击毁伤示意图

根据力矩平衡

得2613.333kN；

工作臂液压缸半径为55mm，面积为0.0094 985m2；

工作臂液压杆半径为30mm，面积为0.0028 26m2；

结论：挖斗首先着地引起的液压缸，销轴的毁伤是严重的，应尽力避免。

2 侧翻冲击及防护

2.1 无货台侧翻分析

无货台时，底盘宽2000mm，整车重心位于底盘中心偏左75mm，高于底盘中心1270mm，LOC是重力方向三角形的边，长度1270mm，LBC是无货台时左边三角形的边，长度925mm，利用反正切三角函数得向左侧倾角度为36.07°；同理，LCD是无货台时右边三角形的边，长度1075mm，利用反正切三角函数得角度为40.25°（见图7）。

图7 侧翻冲击示意图

2.2 有货台侧翻分析

有货台时，底盘宽2000mm，整车重心位于底盘中心偏左75mm，高于底盘中心1270mm，LOC是重力方向三角形的边，长度1270mm，LAC是货台最左边到LOC的左边三角形的底边，长度1165mm，利用反正切三角函数得角度为42.53°。LCE是货台最右边到重心的垂直距离，长度1315mm，利用反正切三角函数得角度为45.99°。

有货台时，整台装备向左倾翻的角度增加6.4°，向右倾翻的角度增加5.74°，因此在整车基础上加装空降货台可以加大挖掘机的空投着陆抗倾翻能力，货台也具有一定的防翻能力。

3 惯性力引起的冲击分析

3.1 工作臂惯性力引起的冲击

如图8所示，FPN为重力冲击载荷，LNM是重力绕M点产生的力臂，长度2200mm，工作装置在冲击下产生的力矩为1182×10×9.8=115.836kN。

图8 工作臂惯性力引起的冲击毁伤示意图

FLP是工作装置动臂油缸在重力作用下产生的反作用力，LML是该反作用力的力臂，长度600mm。

根据力矩平衡115836×2.2=0.6×F1，F1=424.732kN；工作臂油缸受力为424.732kN，因此2个销子受力为424.732kN；工作臂油缸面积为0.0094985m2；工作臂油缸压力P=F/S1=44.72MPa；销子半径为25mm，面积为0.0019625m2；销子的剪切力为216MPa。

Q235A#20钢可以承受此剪切力，因此在将销子处处理为Q235A#20以上的钢即可保障销子安全。

结论：油缸压力已超过其工作压力，可以通过二次溢流阀（过载阀）加以保护，或者在大臂上加一个截面直径50mm的斜撑杆予以抵销部分冲击力。

3.2 大轮支腿惯性力冲击毁伤分析

参照图9、图10，K为大轮连同支腿的重心，重约500kg，即FKJ为重力，大小为4.9kN，大支腿在重力载荷下绕H点旋转，LJH为重力载荷的力臂，长度800mm；FIE为大支腿升降缸在重力载荷下的反作用力，LIH为反作用力的力臂，长度400mm。

图9 4轮支腿惯性力冲击示意图

图10 大轮支腿升降销子受力示意图

大支腿载荷为4.9kN，根据力矩平衡

49000×0.8=0.4×F，F=98kN；

大支腿伸缩缸半径为50mm，面积为0.00785m2；大支腿伸缩缸杆半径为27.5mm，面积为0.00237 462m2；载荷为17MPa。

F1为大轮支腿重力加载在销子上的力，F2为大轮支腿升降缸压力加载在销子上的力，形成对合力F3=（490002+980002）1/2=109.567kN；

销子直径为50mm，面积为0.0019625m2；

销子的剪切力109567/0.0019625=55830318Pa=55.8MPa；普通钢铁材料即可满足该销子剪切力要求。

结论：依据以上分析，只借助气囊与蜂窝纸缓冲即可满足要求。

3.3 小轮支腿惯性力冲击毁伤分析

参照图9、图11，M为小支腿的重心，重约300kg，MN为重力，为2940N；L点为小支腿在重力载荷下旋转点，LN为重力作用下的力臂，长度400mm；OP为重力载荷下小支腿升降缸的反作用力F1，LP为力臂，长度250mm。

小支腿载荷300×10×9.8=29.4kN；

根据力矩平衡29.4×0.4=0.25×F1，F1=47.04kN；

小支腿伸缩缸半径为5 0 m m，面积为0.00785m2；小支腿伸缩缸杆半径为27.5mm，面积为0.00237462m2；载荷为8.59MPa；销子直径为50mm，面积为0.0019625m2；F1为小轮支腿升降缸压力加载在销子上的力，F2为小轮支腿重力加载在销子上的力，形成对合力F3=66.226kN；销子剪切力为33.7MPa；普通钢铁材料即可满足该销子剪切力要求。