王 勇，邢振振，張 鑫，祖海英，趙偉民

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)(2.北京中車重工機(jī)械有限公司，北京 102200)

在頻繁發(fā)生地震、泥石流、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜環(huán)境中，救援工作對挖掘機(jī)的施工性能提出了更高的要求。在此背景下研發(fā)的步履式挖掘機(jī)受到了廣泛關(guān)注，在同等挖掘施工能力下，步履式挖掘機(jī)與履帶、輪式底盤挖掘機(jī)相比，其整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，自身質(zhì)量小[1]，具有更強(qiáng)的作業(yè)靈活性、障礙通過性和環(huán)境適應(yīng)性，可在搶險(xiǎn)救災(zāi)、防洪防澇等救援工作中大顯身手，同時(shí)也能夠在林地、山坡、溝渠等特殊工況下作業(yè)。

底盤的可靠設(shè)計(jì)是保證步履式挖掘機(jī)穩(wěn)定作業(yè)的關(guān)鍵，目前有關(guān)挖掘機(jī)步履式底盤的研究文獻(xiàn)相對較少，且主要集中在底盤受力求解方法[2]、環(huán)境適應(yīng)性[3]和自由度[4]等方面的理論分析及參數(shù)優(yōu)化。因此，對步履式挖掘機(jī)底盤設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠性分析可進(jìn)一步完善步履式底盤的研究工作。

1 整機(jī)模型及主要技術(shù)參數(shù)

圖1所示為步履式挖掘機(jī)的整機(jī)三維模型。挖掘機(jī)工作裝置的鉸接位置數(shù)量較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的不同動(dòng)作對底盤強(qiáng)度的影響較大，因此對其主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了建模裝配，對其上車內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱等部件則通過施加載荷的方式進(jìn)行了簡化。其主要由工作裝置、回轉(zhuǎn)平臺、步履式底盤、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、駕駛室等部件構(gòu)成。各設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表1。

2 步履式底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 步履式挖掘機(jī)整機(jī)模型

技術(shù)參數(shù)取值整機(jī)質(zhì)量/kg9 000鏟斗容量/m30.32工作裝置提升力/kN50發(fā)動(dòng)機(jī)額定輸出功率/kW60底盤驅(qū)動(dòng)形式2×4行走最大爬坡度/%50行走速度/(km·h-1)5.2～9.0上車回轉(zhuǎn)速度/(r·min-1)12最大作業(yè)高度/mm6 000最大作業(yè)深度/mm4 500最大作業(yè)半徑/mm7 100

圖2所示為步履式底盤模型，其結(jié)構(gòu)組成相對復(fù)雜，主要由底盤主體(底座)、支撐爪、前后支腿、前后鉸座、輪胎等構(gòu)成。

底盤主體采用常見的整體式箱型結(jié)構(gòu)，比組合式主體結(jié)構(gòu)相對簡單，但制造工藝較復(fù)雜。在其回轉(zhuǎn)支承上部連接有整個(gè)上車系統(tǒng)，外圍前后鉸支座連接擺動(dòng)支腿及支腿驅(qū)動(dòng)液壓油缸，因此必須合理設(shè)計(jì)、布局底盤結(jié)構(gòu)，保證支腿擺動(dòng)角度滿足要求且與其他結(jié)構(gòu)組件不發(fā)生干涉，并確保其具有足夠的強(qiáng)度。主體中空部分同樣需要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以便于安裝控制底盤動(dòng)作的電氣組件、液壓組件等，并方便進(jìn)行后期的保養(yǎng)和維護(hù)。

1—支撐爪；2—伸縮支腿；3—前支腿；4—前鉸座；5—底座；6—后鉸座；7—驅(qū)動(dòng)輪；8—后支腿；9—導(dǎo)向輪

支腿采用帶伸縮臂的輪胎支腿，它包括兩個(gè)可調(diào)角度并可伸縮的支撐爪、可擺動(dòng)的前支腿和兩個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)輪的可擺動(dòng)后支腿。前后支腿的相互配合動(dòng)作可使挖掘機(jī)輕松越過垂直障礙，也可有效增加作業(yè)高度，從而實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)傾斜調(diào)平、爬越障礙、跨越溝壑等非常規(guī)動(dòng)作。支腿伸出并分開撐地(或伏地)可顯著提高挖掘機(jī)施工的穩(wěn)定性，配合安全鋼絲繩能夠在坡度為100%的斜坡上安全作業(yè)。

該種支腿的設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：支撐爪與前支腿的相對角度可調(diào)(共2種)，可結(jié)合不同的地形選擇；后支腿的水平擺動(dòng)采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，這樣可以保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪始終與車身保持平行；通過水平擺動(dòng)前支腿可實(shí)現(xiàn)車體轉(zhuǎn)彎行走。

3 底盤主體的可靠性分析[5]

用工程軟件分別在鏟斗前撐地、后撐地、側(cè)撐地、前45°撐地、后45°撐地5種工況下對底盤主體進(jìn)行有限元強(qiáng)度和疲勞仿真分析。一般認(rèn)為以上工況下底盤受力較大。

3.1 前撐地工況底盤受力分析

本文僅以挖掘機(jī)鏟斗前撐地一種工況為例進(jìn)行受力分析。如圖3所示，整機(jī)平放于水平面上，鏟斗在車身正前方C點(diǎn)撐地，并能使前支腿的輪胎剛好離開地面而不受力。整機(jī)處于A點(diǎn)(2處)和C點(diǎn)(1處)三點(diǎn)平衡支撐狀態(tài)。此時(shí)，A點(diǎn)的力矩平衡方程為：

∑MA=-G·L2+FC·L1=0

(1)

式中：∑MA為A點(diǎn)的合力矩，N·mm；G為挖掘機(jī)總重力，N；FC為C點(diǎn)支反力，N。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)中即可求得鏟斗支撐處的支反力FC，并將其作為遠(yuǎn)程載荷添加到算例中進(jìn)行仿真分析。

圖3 前撐地工況受力分析圖

3.2 底盤主體有限元強(qiáng)度分析

將底盤主體三維模型調(diào)入Simulation中，新建一個(gè)靜應(yīng)力分析算例，設(shè)定主體材料類型為Q345，設(shè)定材料屬性：彈性模量為2.06E+11N/m2，抗剪模量為7.9E+10N/m2，質(zhì)量密度為7 850kg/m3，屈服強(qiáng)度為3.45E+8N/m2，泊松比為0.28。

約束和邊界條件：在其4個(gè)鉸接位置添加固定鉸鏈約束。

施加載荷：首先施加引力載荷，然后在回轉(zhuǎn)支承上施加上車系統(tǒng)的總重力41 800N，最后施加前述受力分析求得的遠(yuǎn)程載荷FC。

生成網(wǎng)格：使用高品質(zhì)實(shí)體網(wǎng)格，網(wǎng)格控制基于曲率，其他均為默認(rèn)選擇，查看網(wǎng)格細(xì)節(jié)可知其最小單元為10.5mm，最大單元為52.5mm，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為100 064個(gè)，單元總數(shù)為51 592個(gè)。

利用Simulation靜應(yīng)力分析分別對5種撐地狀態(tài)下的底盤主體進(jìn)行有限元分析，得到其應(yīng)力、應(yīng)變云圖，其中最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變值見表2。

表2 5種撐地狀態(tài)的靜應(yīng)力分析結(jié)果

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，底盤主體最大應(yīng)力和應(yīng)變均發(fā)生在鏟斗側(cè)撐狀態(tài)，最大應(yīng)力為255.9MPa(圖4)，最大位移為2.315mm(圖5)。不過，其最大應(yīng)力還是在安全范圍內(nèi)，最大位移相對結(jié)構(gòu)尺寸也可以忽略，由此可知，底盤的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度是足夠的。

圖4 側(cè)撐狀態(tài)底盤主體應(yīng)力云圖

圖5 側(cè)撐狀態(tài)底盤主體位移云圖

3.3 底盤主體結(jié)構(gòu)疲勞分析

進(jìn)入Simulation模塊，新建一個(gè)疲勞分析算例，底盤主體結(jié)構(gòu)和材料基本屬性保持不變，由材料彈性模量自動(dòng)產(chǎn)生基于奧氏體鋼的疲勞S-N曲線。添加事件，設(shè)定分析周期10 000次，底盤主體只受到對應(yīng)的最大載荷，最小載荷為上車重力，因此負(fù)載類型采用基于零，即LR=0。分別添加上述的5種靜應(yīng)力分析算例，應(yīng)力比例為1。疲勞分析得出的底盤主體結(jié)構(gòu)損壞系數(shù)和生命周期見表3。

表3 5種撐地狀態(tài)的疲勞分析結(jié)果

通過疲勞分析結(jié)果可以看出，在設(shè)定分析周期內(nèi)最大損壞系數(shù)和最小使用周期同樣都發(fā)生在鏟斗側(cè)撐狀態(tài)，最大損壞系數(shù)為83.61%(圖6)，最小使用周期為3.67×104次(圖7)。主體內(nèi)部筋板區(qū)域出現(xiàn)較高的損壞比例，主要是由于在回轉(zhuǎn)支承連接盤的左右兩側(cè)未設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，內(nèi)部筋板在交變載荷的長時(shí)間影響下最容易發(fā)生疲勞失效?？蓳?jù)此對筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，需要注意的是，挖掘機(jī)在實(shí)際施工中側(cè)向作業(yè)不頻繁，其對底盤主體的疲勞強(qiáng)度影響可以忽略。由此可知，底盤主體在設(shè)計(jì)周期內(nèi)的損壞系數(shù)較低，且生命周期能夠滿足使用壽命要求。

圖6 側(cè)撐狀態(tài)底盤立體損壞系數(shù)云圖

圖7 側(cè)撐狀態(tài)底盤立體使用周期云圖

4 結(jié)束語

本文介紹了一種作業(yè)靈活、適用工況廣泛的步履式挖掘機(jī)。對整體式箱型底盤的可靠性分析證明了方案的可行性，同時(shí)指明底盤的回轉(zhuǎn)支承兩側(cè)是后續(xù)設(shè)計(jì)中需要優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)。本文的研究成果雖然進(jìn)一步完善了步履式挖掘機(jī)底盤的研究工作，但是有限元仿真中對模型、載荷及施工工況等的簡化處理會(huì)使最終得到的分析結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的誤差。因而后續(xù)工作應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，不斷修正仿真參數(shù)，盡可能實(shí)現(xiàn)仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)一。

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