俞垚魏，王新晴，王 東，左 帥，華 夏

（中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007）

步履式挖掘機(jī)是一種全地形挖掘機(jī)，是對普通履帶式挖掘機(jī)功能的拓展和延伸，履帶式挖掘機(jī)功能強(qiáng)大，動力強(qiáng)勁，但受到履帶結(jié)構(gòu)的限制，在遭遇崎嶇、泥濘、陡峭等復(fù)雜環(huán)境時(shí)，無法安全高效率地工作。步履式挖掘機(jī)是由工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、上車、下車和液壓系統(tǒng)組成，下車有4條帶有行走輪的支腿來支撐起整臺挖掘機(jī)，由4個(gè)液壓缸單獨(dú)控制4條支腿，進(jìn)行縱向、橫向和垂直方向上的調(diào)節(jié)，使挖掘機(jī)在凹凸不平和狹小地帶時(shí)也能夠作業(yè)（見圖1）。

圖1 步履式挖掘機(jī)

然而，我國是世界上發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害較多的國家之一，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的強(qiáng)度大、分布地域廣、頻率高、災(zāi)害情況嚴(yán)重，因此造成了嚴(yán)重的路面損毀，普通輪式載具無法在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)，沒有及時(shí)的救援造成了進(jìn)一步地人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。雖然步履式挖掘機(jī)的作業(yè)范圍要比普通履帶式挖掘機(jī)廣，但是在遇到地質(zhì)災(zāi)害毀壞道路時(shí)，步履式挖掘機(jī)只能在外圍進(jìn)行救援，無法深入一線。因此采用超低空投放步履式挖掘機(jī)進(jìn)入災(zāi)區(qū)深處是一種行之有效的方法。

超低空空投［1］是指飛機(jī)從幾米高的飛行高度利用牽引傘系統(tǒng)將固定在底部裝有可解脫裝置的平臺上的物資設(shè)備牽引出貨艙直接投放至地面的空投方式，或者是直升機(jī)降落到指定超低空高度釋放繩索，投送裝備。本文討論采用直升機(jī)超低空空投。

當(dāng)進(jìn)行超低空投放時(shí)，由于深入救災(zāi)現(xiàn)場，現(xiàn)場沒有直升機(jī)坪與良好的氣候條件、地面地形復(fù)雜、直升機(jī)穩(wěn)定懸停困難，因此在空投著陸時(shí)會發(fā)生各種形式的損傷，這些損傷輕則導(dǎo)致部件變形損壞，重則導(dǎo)致整臺機(jī)器損毀，延誤救援進(jìn)程。

目前，我國已經(jīng)具備了空降戰(zhàn)車的空投能力。空投戰(zhàn)車屬于外形規(guī)則的裝備，經(jīng)過合理的緩沖包裝后，質(zhì)量均勻，很少出現(xiàn)大角度質(zhì)量偏移的問題。且由于戰(zhàn)車是用于作戰(zhàn)，外部是裝甲鋼板，本身含有一定的抗沖擊功能，與文中研究的步履式挖掘機(jī)相比，具有以上2個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

因此，筆者以步履式挖掘機(jī)為研究對象，對未進(jìn)行緩沖包裝的裝備進(jìn)行理論分析和計(jì)算，分析僅2個(gè)小輪著陸、僅2個(gè)大輪著陸、4個(gè)輪子著陸和僅挖斗著陸4種極端情況，探討了在有無貨臺的情況下，步履式挖掘機(jī)的側(cè)翻角度，又分析了在有緩沖包裝的情況下步履式挖掘機(jī)的工作臂、大支腿和小支腿在慣性作用下的沖擊和相應(yīng)的簡易加固方法。

1 極端情況沖擊分析

空投時(shí)，步履式挖掘機(jī)在下部安裝有空投貨臺，空投貨臺下部裝有緩沖氣囊，著陸后氣囊打開。挖掘機(jī)整體速度下降至3m/s，此時(shí)的著陸過載一般不大于20g［2］（見圖2）。

本文考慮的是正常情況下完成空投著陸，正常著陸工況及邊界條件：垂降，無橫風(fēng)，7m/s著陸初速，地面平坦，氣囊完全打開。

圖2 空投時(shí)速度與加速度曲線

在救災(zāi)現(xiàn)場可能造成以下極端現(xiàn)象的發(fā)生，以及救援車輛（裝備）的重大破壞。以下是幾種極端情況的沖擊分析。

1.1 僅2個(gè)小輪著地承受沖擊

FEF為小輪著地時(shí)受到?jīng)_擊力，此時(shí)整車質(zhì)量的一半作用于一個(gè)小輪上，小輪支腿受到?jīng)_擊時(shí)繞D點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。LED是沖擊載荷的力臂，長度600mm；FAC是小輪受到?jīng)_擊時(shí)小支腿升降缸的反作用力，方向沿著液壓缸向下；LCD是反作用力的力臂，長度250mm（見圖3）。

圖3 2小輪著地承受沖擊示意圖

8000×10×9.8/2N=392kN；

根據(jù)力矩平衡可以列出以下方程

得FAC=940.8kN；

小腿升降缸半徑為50mm，面積為0.00785m2；

小腿升降桿半徑為27.5mm，面積為0.0023 7462m2。

結(jié)論：該工況十分危險(xiǎn)，若發(fā)生，則小支腿升降缸損毀，應(yīng)避免。

1.2 僅2個(gè)大輪著地承受的沖擊毀傷

當(dāng)大輪著陸承擔(dān)沖擊載荷時(shí)，大支腿受力情況和大支腿升降缸受力如上，此時(shí)整車質(zhì)量的一半作用于每個(gè)大輪上，大輪著陸時(shí)大支腿繞C點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。LCD為受到?jīng)_擊時(shí)沖擊載荷的力臂，長度1000mm；FAB為大支腿升降缸受到?jīng)_擊載荷時(shí)的反作用力，方向沿著液壓缸向外；LCB為反作用力的力臂，長度400mm（見圖4）。

圖4 2大輪著地承受沖擊毀傷示意圖

單個(gè)輪子受力，得392kN；

大腿升降缸半徑50mm，面積為0.00785m2；

得124MPa。

結(jié)論：該工況十分危險(xiǎn)，若發(fā)生，則大支腿升降缸損毀，應(yīng)避免。

1.3 4個(gè)輪子著地承受的沖擊毀傷

如圖5所示，4個(gè)輪子著地。

圖5 4個(gè)輪子著地承受的沖擊毀傷示意圖

得196kN；

大腿升降缸半徑為50mm，面積為0.00785m2；

大腿升降桿半徑為27.5mm，面積為0.00237 462m2；

小腿升降缸半徑為50mm，面積為0.00785m2；

小腿升降桿半徑為27.5mm，面積為0.00237 462m2；

結(jié)論：每個(gè)輪子承受的力為196kN，將產(chǎn)生嚴(yán)重毀傷，應(yīng)盡力避免。

1.4 僅挖斗著地承受的沖擊毀傷

當(dāng)挖掘機(jī)處于僅挖斗著地時(shí)，挖斗受力和工作裝置液壓缸受力如圖6：A點(diǎn)為挖斗受力點(diǎn)，沖擊載荷力FAE為8000×10×9.8=784kN，LBO為力臂長度2000mm，O為動臂與車體的鉸接點(diǎn)，整個(gè)動臂繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，臂下方僅1個(gè)缸著力，F(xiàn)CB為動臂下液壓缸受力的反作用力，方向向外，LOC為反作用力力臂，長度600mm。

圖6 挖斗著地承受的沖擊毀傷示意圖

根據(jù)力矩平衡

得2613.333kN；

工作臂液壓缸半徑為55mm，面積為0.0094 985m2；

工作臂液壓桿半徑為30mm，面積為0.0028 26m2；

結(jié)論：挖斗首先著地引起的液壓缸，銷軸的毀傷是嚴(yán)重的，應(yīng)盡力避免。

2 側(cè)翻沖擊及防護(hù)

2.1 無貨臺側(cè)翻分析

無貨臺時(shí)，底盤寬2000mm，整車重心位于底盤中心偏左75mm，高于底盤中心1270mm，LOC是重力方向三角形的邊，長度1270mm，LBC是無貨臺時(shí)左邊三角形的邊，長度925mm，利用反正切三角函數(shù)得向左側(cè)傾角度為36.07°；同理，LCD是無貨臺時(shí)右邊三角形的邊，長度1075mm，利用反正切三角函數(shù)得角度為40.25°（見圖7）。

圖7 側(cè)翻沖擊示意圖

2.2 有貨臺側(cè)翻分析

有貨臺時(shí)，底盤寬2000mm，整車重心位于底盤中心偏左75mm，高于底盤中心1270mm，LOC是重力方向三角形的邊，長度1270mm，LAC是貨臺最左邊到LOC的左邊三角形的底邊，長度1165mm，利用反正切三角函數(shù)得角度為42.53°。LCE是貨臺最右邊到重心的垂直距離，長度1315mm，利用反正切三角函數(shù)得角度為45.99°。

有貨臺時(shí)，整臺裝備向左傾翻的角度增加6.4°，向右傾翻的角度增加5.74°，因此在整車基礎(chǔ)上加裝空降貨臺可以加大挖掘機(jī)的空投著陸抗傾翻能力，貨臺也具有一定的防翻能力。

3 慣性力引起的沖擊分析

3.1 工作臂慣性力引起的沖擊

如圖8所示，F(xiàn)PN為重力沖擊載荷，LNM是重力繞M點(diǎn)產(chǎn)生的力臂，長度2200mm，工作裝置在沖擊下產(chǎn)生的力矩為1182×10×9.8=115.836kN。

圖8 工作臂慣性力引起的沖擊毀傷示意圖

FLP是工作裝置動臂油缸在重力作用下產(chǎn)生的反作用力，LML是該反作用力的力臂，長度600mm。

根據(jù)力矩平衡115836×2.2=0.6×F1，F(xiàn)1=424.732kN；工作臂油缸受力為424.732kN，因此2個(gè)銷子受力為424.732kN；工作臂油缸面積為0.0094985m2；工作臂油缸壓力P=F/S1=44.72MPa；銷子半徑為25mm，面積為0.0019625m2；銷子的剪切力為216MPa。

Q235A#20鋼可以承受此剪切力，因此在將銷子處處理為Q235A#20以上的鋼即可保障銷子安全。

結(jié)論：油缸壓力已超過其工作壓力，可以通過二次溢流閥（過載閥）加以保護(hù)，或者在大臂上加一個(gè)截面直徑50mm的斜撐桿予以抵銷部分沖擊力。

3.2 大輪支腿慣性力沖擊毀傷分析

參照圖9、圖10，K為大輪連同支腿的重心，重約500kg，即FKJ為重力，大小為4.9kN，大支腿在重力載荷下繞H點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，LJH為重力載荷的力臂，長度800mm；FIE為大支腿升降缸在重力載荷下的反作用力，LIH為反作用力的力臂，長度400mm。

圖9 4輪支腿慣性力沖擊示意圖

圖10 大輪支腿升降銷子受力示意圖

大支腿載荷為4.9kN，根據(jù)力矩平衡

49000×0.8=0.4×F，F(xiàn)=98kN；

大支腿伸縮缸半徑為50mm，面積為0.00785m2；大支腿伸縮缸桿半徑為27.5mm，面積為0.00237 462m2；載荷為17MPa。

F1為大輪支腿重力加載在銷子上的力，F(xiàn)2為大輪支腿升降缸壓力加載在銷子上的力，形成對合力F3=（490002+980002）1/2=109.567kN；

銷子直徑為50mm，面積為0.0019625m2；

銷子的剪切力109567/0.0019625=55830318Pa=55.8MPa；普通鋼鐵材料即可滿足該銷子剪切力要求。

結(jié)論：依據(jù)以上分析，只借助氣囊與蜂窩紙緩沖即可滿足要求。

3.3 小輪支腿慣性力沖擊毀傷分析

參照圖9、圖11，M為小支腿的重心，重約300kg，MN為重力，為2940N；L點(diǎn)為小支腿在重力載荷下旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，LN為重力作用下的力臂，長度400mm；OP為重力載荷下小支腿升降缸的反作用力F1，LP為力臂，長度250mm。

小支腿載荷300×10×9.8=29.4kN；

根據(jù)力矩平衡29.4×0.4=0.25×F1，F(xiàn)1=47.04kN；

小支腿伸縮缸半徑為5 0 m m，面積為0.00785m2；小支腿伸縮缸桿半徑為27.5mm，面積為0.00237462m2；載荷為8.59MPa；銷子直徑為50mm，面積為0.0019625m2；F1為小輪支腿升降缸壓力加載在銷子上的力，F(xiàn)2為小輪支腿重力加載在銷子上的力，形成對合力F3=66.226kN；銷子剪切力為33.7MPa；普通鋼鐵材料即可滿足該銷子剪切力要求。

圖11 小輪支腿升降銷子受力示意圖

結(jié)論：依據(jù)以上分析，只借助氣囊與蜂窩紙緩沖即可滿足要求。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)步履式挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮在空投時(shí)各種極端情況，對其進(jìn)行了毀傷分析，并且針對防側(cè)翻問題和慣性力導(dǎo)致的沖擊問題進(jìn)行了計(jì)算和分析，獲得了毀傷情況，并給出了防護(hù)建議。