一種適用于多種復雜地形的步履式挖掘機支爪

回海旭

摘要：本文針對當前步履式挖掘機支爪設計存在的問題，將各種支爪的優點進行綜合，提出一種特殊的支爪結構，從而能夠適應應急救援的復雜地形且能對不同地形進行功能切換的步履式挖掘機支爪。以此提高應急救援效率和整機穩定性，并通過電子控制單元的信號處理，提升機身的整體安全性。

Abstract： Aiming at the problems existing in the design of claws of walking excavators， this paper combines the advantages of various claws， and proposes a special claw structure， which can adapt to the complicated terrain of emergency rescue and can switch the functions of different terrains. This improves the efficiency of emergency rescue and the stability of the whole machine， and improves the overall safety of the fuselage through the signal processing of the electronic control unit.

關鍵詞：挖掘機;復雜地形;支爪;整機穩定性;應急救援

Key words： excavator;complex terrain;claws;overall stability;emergency rescue

中圖分類號：TU621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）04-0184-03

1? 概述

1.1 課題背景與意義

近年來，山體滑坡、泥石流、塌方、地震等各類事故、自然災害頻頻發生，嚴重威脅著人們的生命和財產的安全。救援裝備作為災害救援工作中最重要的救援工具支撐，是救援體系的基礎，決定著救援成敗和救援效率。挖掘機救援裝備作為處理突發應急事件的重要物質基礎，裝備水平的高低是影響救援效果的重要因素。

挖掘機的種類繁多，按照行走方式可以分為履帶式、輪胎式等，履帶式挖掘機與輪胎式挖掘機相比具有較好的爬坡能力，穩定性較好，但是其行駛速度不高，另外兩者的底盤均采用固定式結構，地形適應能力有限，對于一些如山地、沼澤地帶等地形復雜的場所卻束手無策，無法在這些地區進行行駛和作業，而且目前大多數挖掘機的功能擴展性較差，因此特殊現場中采用常規的搶險挖掘機往往不能很有效率地進行作業，而且現有的較為先進的步履式挖掘機，在穩定性和承載功率方面又不穩定，從而一定程度上拖延了救災工作的進度。因此，救援挖掘機問題顯得尤為突出。

1.2 現有挖掘機的結構特點

挖掘機的種類繁多，按照行走方式可以分為履帶式、輪胎式等，履帶式挖掘機與輪胎式挖掘機相比具有較好的爬坡能力，穩定性較好，但是其行駛速度不高，另外兩者的底盤均采用固定式結構，地形適應能力有限，對于一些如山地、沼澤地帶等地形復雜的場所卻束手無策，無法在這些地區進行行駛和作業，而且目前大多數挖掘機的功能擴展性較差，因此特殊現場中采用常規的搶險挖掘機往往不能很有效率地進行作業，在穩定性和承載功率方面又不穩定，從而一定程度上降低救災工作的效率。因此，救援挖掘機問題顯得尤為突出。

現階段，我國已經研發出步履式挖掘機，如圖1，并被應用于復雜地面施工和搶險救災等領域，其結構設計和應用領域得到了較大的突破。但是，市面上大多數步履式挖掘機仍然存在一些不足之處：①挖掘機底盤過于單薄，支爪結構穩定性不足，限制其負載能力;②前爪與支腿的聯接活動空間較少，地形適應能力和抓地可靠性差。

西方國家對步履式挖掘機的研究時間較長，為提高機身的穩定性，大多使用短式履帶結合液壓結構，四履四驅，并且實現±30°擺動，如圖2。為實現機體輕便，履帶一般采用新型柔性材料。而且目前也是僅僅處于研發階段，并沒有實際應用。他們存在的主要問題有：

①成本過高，對設備的維護和管理要求較高;②負載能力有待提高;③運動速度較慢，通常需要運輸車運載。

基于對以上的分析，為克服現有的履帶式和輪胎式挖掘機以及步履式挖掘機的不足，以及針對自然災害的救援，本文設計了一種全地形多功能應急救援挖掘機支爪結構，該挖掘機支爪具有較強的功能擴展能力，可幫助步履式挖掘機進入山地、陡坡、沼澤、林地等復雜地帶行駛和作業。

2? 裝置原理與創新

2.1 工作原理

2.1.1 機械部分

由圖可知，該支爪（如圖3）分兩個傳動機構，第一傳動機構和第二傳動機構的運動分別帶動實心中心軸和中層空心軸運動，實心中心軸的運動帶動爪板張合，中層空心軸的運動帶動蹼板的張合，具體來說，實心中心軸向上運動時，帶動尖頂向上運動，尖頂與連桿通過第一轉動副連接，尖頂的運動帶動連桿運動，從而使爪板張開合適的角度。當實心中心軸帶動尖頂向下運動時，尖頂的運動帶動連桿運動，連桿帶動爪板收攏，從而提高抓地性，保證在復雜地形挖掘機的穩定性，同時尖頂也隨著實心中心軸運動的向下運動而深入地面，提高與地面契合度。當中層空心軸向下運動時，帶動蹼板收攏;當中層空心軸向上運動時，帶動蹼板運動張開合適角度，從而增加挖掘機與地面的接觸面積，保證其在易陷路段順利通過，當然也可以同時控制爪板和蹼板相互配合使用。

2.1.2 電子控制部分（如圖4）

通過操縱位于駕駛室的操作桿向ECU施加信號，并通過接受位于爪板處的轉角傳感器傳回的反饋信號，對系統進行反饋調節，使角度調節更加簡便精確。具體來說，通過向前推動第一控制手柄，向電子控制單元發送第一指令，電子控制單元控制第一傳動機構提拉實心中心軸向上運動;向后推動時，控制手柄向電子控制單元發送第二指令，第一傳動機構在電子控制單元的控制下推動實心中心軸向下運動。

通過向前推動第二控制手柄向電子控制單元發送第三指令，第二傳動機構在電子控制單元的控制下推動中層空心軸向下運動;向后推動時，控制手柄向電子控制單元發送第四指令，第二傳動機構在電子控制單元的控制下提拉中層。

2.2 項目創新之處[6]

①挖掘機支爪采用可調張角爪板和蹼板對不同地形進行適應。

②通過中心軸和空心軸對爪板和蹼板進行分別控制，因此可根據不同的地形，將爪板和蹼板相互配合，通過改變與地面的接觸面積，實現對機身壓強的減少，增強了機身的穩定性。

③整個軸體利用套軸原理，既能節省空間又能達到所需抗扭性能，利用有限的空間實現蹼板和爪板的分別控制，實現了控制效果，又節省了空間材料，降低整個結構的重量。

④通過操縱位于駕駛室的操作桿向ECU施加信號，并通過接受位于爪板處的轉角傳感器傳回的反饋信號，對系統進行反饋調節，使角度調節更加簡便精確。

⑤挖掘機支爪還設置有轉角傳感器，將傳遞角度信息到ECU，當該反饋信號與駕駛員輸入信號差值不安全時，通過報警指示燈點亮向控制人員反饋信息。

3? 工作參數及工作應力計算

國家863重點計劃對步履式挖掘機的要求，步履式挖掘機所要達到的技術指標發動機功率P≤85kW，質量 m≤8000kg[1]。

其他智能型步履式挖掘機相關參數[2]，詳見表1。

結合表1，及9.00-200輪胎特性，擬定以下計算數據：

擬定輪胎寬度b=205mm;輪胎直徑16英寸;材料尼龍;挖掘機機身9噸;滿載重量12噸。

當處于滿載工作狀態時，斷面寬約為228.6mm[3]。

3.1 正常四輪工作狀態

3.2 最大接觸面積工作狀態

G——機身工作重量，N;σ平均——車身對地面平均應力，MPa; b——輪寬，mm;A支爪——支爪與地面最大接觸面積，MPa;A爪板——爪板與地面最大接觸面積，MPa;A蹼板——蹼板與地面最大接觸面積，mm2;a——斷面寬，mm。（在此應力條件下，斷面寬取173mm[4]）。

4? 支爪選材及應力校核

經過力學分析，爪板末端與支爪外壁連接處轉動銷為最薄弱環節，故對其強度進行校核：

挖掘機支爪轉動銷剪應力計算：

計算可知實際剪應力τ實際=115.62MPa<156.3MPa。在此計算的是單個轉動銷極限剪應力狀態，則對于正常行駛狀態的挖掘機用Q345鋼可以達到應力需求。

5? 結語

本文提出的步履式挖掘機支爪，提高了步履式挖掘機的多地形適應能力，結構簡單，成本低，能夠有效提高救援效率，經過理論計算證明了該支爪確實能夠有效降低機身對地面的應力，具有很強的實用性和可行性。

參考文獻：

[1]張云.一種步履式挖掘機的設計與研制[D].西安：長安大學，2016.

[2]張鑫.智能型步履式挖掘機動態穩定性分析[D]，大慶：東北石油大學，2014.

[3]王慶年，趙子亮，李幼德.9.00-200尼龍輪胎高速滾動表面溫度場的試驗研究[J].輪胎工業，2001（03）：183-187.

[4]陳家瑞.汽車構造[M].三版.北京：機械工業出版社，2019.

[5]聞邦椿.機械設計手冊[M].五版.北京：機械工業出版社，2010.

[6]周淑文.一種適用于多種復雜地形的步履式挖掘機支爪[P]：中國，201911134029.8.2019-11-19.