地下鏟運機靜態穩定性分析與評價

張金鵬，趙國勇

（山東理工大學，山東 淄博 255000）

1 鏟運機工作裝置結構優化

1.1 工作裝置概述

鏟運機在實際工作中，由于結構的多樣，在不同工況下的作業效率常呈現較大差異，作業循環周期和鏟運機整體的外形尺寸也有不同。六桿結構是工作中較常出現的鏟運機結構類型，由連桿、大臂、鏟斗、油缸等部分組成。鏟運機的工作裝置通過鉸接安裝在前車架上，控制轉斗油缸，通過連桿傳遞完成鏟斗的鏟取和卸載工作，舉升油缸同樣通過液壓驅動控制大臂升降。

1.2 工作裝置的工作過程

鏟運機工作裝置的運動是車架以及動力油缸等配合工作的體現，舉升油缸和轉斗油缸的伸縮控制是其主要動力來源。在實際作業過程中，鏟運機的工作狀態主要分為以下五種：（1）插入工況：鏟運機大臂下降，到其貼到前車架前面的支撐墊片上，這時鏟斗處于地面上，斗尖與地面接觸，斗尖與地面的傾角為約為5°左右，準備工作結束后開動鏟運機，通過鏟運機機身的移動使鏟斗插入料堆。（2）運輸工況：鏟斗鏟取物料后使鏟斗轉動，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，并且保持這種狀態運動到卸載物料目的地。（3）重載舉升工況：鏟運機完成物料裝載準備卸載時舉升大臂至卸載高度。（4）卸載工況：鏟運機在卸載位置，使鏟斗到達卸載高度后通過驅動轉斗油缸，鏟斗向下傾斜，完成物料卸載作業，卸載完成后使鏟斗放置在常規運輸位置。（5）自動放平工況：鏟運機完成卸載作業后，將大臂下降至鏟取位置，鏟斗將自動由卸載時的45°左右翻轉到鏟斗與地面保持5°左右傾角的位置，在鏟斗放平狀態下可直接進行鏟取作業。

1.3 工作裝置設計的基本要求

轉斗機構是鏟運機工作裝置中的主要機構，對于轉斗機構，在設計時需要其在工作中能夠提供足夠的鏟取力，在鏟取過程中受到鏟取阻力的情況下依然能夠平穩完成作業。由于鏟運機多變的工作環境，模擬實際應用過程中的作業情況時，應注意以下幾方面的設計要求：

（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，同時需要達到所要求的卸載距離與卸載高度；運輸時，后傾角需要保持在45°；當鏟斗放平時，斗底與地平面的夾角約為5°左右；鏟裝作業時，斗底與地平面的夾角約為15°。（2）作業運動要求：要求鏟運機在運動過程中速度和加速度的變化在合理的范圍內。（3）鏟運機動力要求：鏟取時，為了獲得較大的有效分，傳遞角（連桿線與斗鉸線夾角）應該接近90°左右；運輸時，需要控制夾角在170°以內，防止灑落。鏟斗在最高位置時，傳動角需大于10°，防止機構自鎖；在對搖臂進行設計時可以在不影響作業效果的前提下設計的短一些，這工作裝置工作效率的提高有著一定的促進作用。

2 鏟運機的靜態穩定性分析與評價

鏟運機的穩定性主要是地下鏟運機在巷道或斜坡道行駛和作業過程中抗傾翻的能力，抗傾翻性是保證鏟運機能夠穩定、安全運行的一項重要指標。

通過穩定比、穩定度來評價地下鏟運機在不同路況上行駛或靜置的穩定性表現，其中最常見的是分析研究鏟運機在下坡行駛以及斜坡靜置的情況下是否會發生側翻等事故。穩定比是指地下鏟運機在巷道或者斜坡道時，尤其是在物料載荷的作用下，鏟運機在運動過程中的傾翻力矩與其平穩力矩的比，用K表示，即：

滿載的鏟運機停在水平面上，動臂水平伸出時的穩定比為：

式中，Q為地下鏟運機的額定載重量；G0為地下鏟運機的操作重量；G2為空載時地下鏟運機動臂水平伸出時后橋的負荷；L為地下鏟運機的軸距；L1為鏟運機額定載重下重心與前橋中心線的水平距離；L2為空載狀態下中心與前橋的水平距離。

K=1時，則穩定力矩M穩定等于傾翻力矩M傾翻，此時，地下鏟運機的穩定水平處于穩定邊緣；K＜1時，M傾翻＜M穩定地下鏟運機處于穩定狀態；K＞1時，M傾翻大于M穩定，此時，地下鏟運機將會傾翻。

穩定度是指地下鏟運機處于斜坡時表現出的穩定性評價指標。發生傾翻時的坡度角，稱為失穩角。若將失穩角以坡度來表示即α、β的正切值，排除鏟運機輪胎變形的影響因素，可以將其縱向穩定度用下列方程表示：

橫向穩定度可以表示為：

顯而易見，當地下鏟運機所行駛的坡道角小于穩定度，則不會發生傾翻。如果鏟運機停放或是行駛的坡道角大于穩定度，則會出現傾翻現象。很多情況下，雖然其穩定度表現一致，鏟運機在這一坡道上平穩行駛仍有風險，因此要保證地下鏟運機在坡道上滑移或滑轉先于傾翻，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；B為地下鏟運機輪距。

鏟運機在實際運行過程中，輪距相對較小。因此，在進行鏟運機設計時，可以通過降低鏟運機重心高度來滿足上式條件。

2.1 鏟運機的縱向穩定性和橫向穩定性

（1）縱向穩定性。鏟運機在實際運行過程中較容易發生縱向傾翻的工況主要有以下三種：①鏟運機滿載狀態下處于縱向斜坡上且動臂最大伸出時；②鏟運機滿載狀態下在下坡路段行駛運輸時；③鏟運機空載狀態下上坡行駛。

鏟運機傾翻發生時，前輪完全承擔機身總重量，這必然導致鏟運機前輪出現明顯形變，后輪形變消失，后驅動橋的負荷為零。使得鏟運機在臨近傾翻之前就己出現了一個傾斜角度。因此，計算鏟運機穩定度時，需考慮前輪的形變，則地下鏟運機在斜坡作業時的縱向穩定度應按下式計算：

式中，Ls為滿載時，地下鏟運機動臂水平伸出時整機重心至前橋的距離；Hs為滿載時，鏟運機動臂水平伸出時重心的高度；L為鏟運機軸距；δ1為鏟運機前輪在載荷作用下發生變形與水平位置時前輪變形量之差；δ2為水平停放時后輪胎的變形量。

通過以上分析可以了解到，鏟運機滿載情況下在坡道上動臂最大伸出時是鏟運機穩定性最差的時刻。

（2）橫向穩定性。因為地下鏟運機擺動橋橫傾翻情況下，先是繞由固定橋側輪接地點和與縱向水平鉸銷中點三點組成的，所以地下鏟運機的一級穩定性是指坡底線與傾翻軸在橫坡的投影平行時的穩定度，由下式表示：

2.2 影響地下鏟運機穩定性的主要因素

通過對鏟運機運行過程和穩定性的研究，發現影響鏟運機穩定性的主要因素包括軸距和輪距兩個方面：

軸距對鏟運機穩定性影響很大。通常情況下，軸距越長，鏟運機工作過程中的側向穩定性和縱向穩定性表現越好。軸距越長，前后輪分配到的側偏力越均衡；軸距約短，側偏力差值越大。當側偏力過大，突破了輪胎附著極限的程度，該車輪就會發生側滑。另外，如果鏟運機的軸距過大，車身的靈活性會下降，行駛過程中轉彎半徑增大，機動性大打折扣。因此，鏟運機并不是軸距越長操作性越好。

輪距的變化也會影響整車的穩定性。在實際運行中，輪距越大，整車的穩定性越好。因為在橫向傾斜行駛過程中，外側車輪能夠為車身提供更穩定的支撐，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，增加活動范圍，提高操作者的舒適度。但是，隨著輪距加大，整機機身的寬度和重量通常也會增大，在這種情況下，進行作業就會出現輪胎陷入后難以脫困等問題。因此，在設計過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、整車質心高度和車體擺動結構等有關。

3 結語

本文主要對地下鏟運機總體結構方面以及實際應用過程中涉及的性能參數、鏟運機靜態以及作業過程中的穩定性進行了研究，最后對影響地下鏟運機穩定性的幾種常見因素進行總結，同時提出能夠有效提高鏟運機工作過程中穩定性的方法，這些方法以及理論是地下鏟運機虛擬樣機的建模及靜態穩定性的仿真分析工作的重要基礎。