液压挖掘机作业稳定性的计算研究

液压挖掘机作业稳定性的计算研究摘要：液压挖掘机是多功能机械的一种，在水利工程，交通运输，矿山采掘和电力工程等机械施工中被广泛运用，它能够减轻人们体力劳动，保证工程的质量，同时还能提高劳动生产率。但其在作业时有时会出现失稳的状态，因此对其作业稳定性进行分析计算具有重要的研究意义。关键词：液压挖掘机，稳定性，计算研究一、引言：挖掘机的稳定性不但影响到其作业的安全性，而且关系到挖掘力的发挥、作业效率、底盘和平台的受力以及回转支承的磨损等，也是相关部件设计计算的依据，但该问题涉及到整机的全部部件的位置、重量、重心位置和工况的选择，因此分析过程较为复杂。液压挖掘机稳定性好坏是通过稳定系数K来衡量的，K是指挖掘机在特定工况下对倾覆线的稳定力矩M1与倾覆力矩M2之比，其值应大于1才稳定，其值越小挖掘机作业稳定性越差。液压挖掘机作业稳定性计算方法主要包括传统的分工况计算方法和以此为基础利用计算机优化计算两种方法。下面对这两种方法进行简要分析并对同一种工况下对挖掘机作业稳定性计算结果进行比较。二、挖掘机工作稳定性的传统计算方式挖掘机工作稳定性的传统计算方法大多是通过人们的经验确定相应的危险工况，根据选定的工况采用数学中的解析方法计算，这种方法在施工现场应用比较广范。由于工况较多，不同工况的稳定性要求不完全相同，甚至同一个部件，由于其位置的不断变化，在同样工况中的作用也不一定相同，因此难以用一个计算公式描述所有工况的稳定性系数，必须加以具体分析，本文只对挖掘机在水平面上作业工况下的稳定性进行研究，此时挖掘机的稳定性主要分为前倾、后倾稳定性。在确定的液压挖掘机作业工况下，运用数力学原理推导出的稳定力矩M1、倾覆力矩M2及稳定系数K的一般化计算公式。2.1挖掘作业前倾稳定性传统计算如图1所示，斗齿上作用有挖掘阻力，风自后面吹来，整机有绕前倾覆线（图1中用I点标记）向前倾覆的趋势。图图1作业时的前倾稳定性分析此时的稳定力矩按下式计算：（当时）（1）倾覆力矩按下式计算：（当且时）（2）稳定系数计算公式为：（3）式中，——前述各部件重心位置坐标分量(m)；——代表前倾覆线标记点I的坐标分量(m)；——斗齿的位置坐标分量(m)；——挖掘阻力分量(KN)；W——为风载荷，，A为迎风面积(m2)，q为风压，推荐去q=0.25Kpa，下同。h——为等效风载荷到挖掘机所处平面的距离(m)；Gi为各个部件重量(KN)，从1到11依此代表下部车架以及行走部分、平台、动臂、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆及物料的重量，Gi公式中应代以负值。在这种工况下传统方法计算得到得稳定系数K=1.505，此时挖掘机工作在稳定状态。2.2挖掘作业后倾稳定性传统计算图2作业时的后倾稳定性分析如图2所示，挖掘阻力作用在斗齿上，整机绕后倾覆线（图图2作业时的后倾稳定性分析此时的稳定力矩按下式计算：（当时）（4）倾覆力矩按下式计算：（当且时）（5）（6）式中，代表后倾覆线的标记点坐标，其余符号的意义同前述。此种工况下计算出的稳定系数K=0.994，其值小于1，说明挖掘机工作不稳定状态。需要强调的是，挖掘机的后倾在有些情况下是允许的也是必须具备的性能。当挖掘机爬较大的坡或逾越一些特殊的障碍物时工作装置前伸、齿尖着地，这时应能将机身前部抬起；另一方面，在挖掘地面以下土壤时，为防止前翻，伸出的工作装置必须有足够的力量顶住地面，此时的稳定系数必须小于等于1，图2所示位置即属于这种情况。三、挖掘机工作稳定性计算机优化计算方式图3稳定系数计算简图α传统挖掘机作业稳定性计算需要结合具体的工况才能计算出稳定系数，但这样确定的位置并不一定是稳定性最差的位置或是最危险的位置，而且计算出的若对危险工况逐一进行分析计算,既繁琐也不全面。计算机优化计算通过数学中的矢量分析手段，从全局的观点出发，建立任意位置时的稳定系数计算公式。当任选一个工况及油缸长度和坡度参数时，可以利用计算机很快获得相应的稳定系数，结果也十分精确。建立如图3示的空间直角坐标系，其中，坐标原点为回转中心线与停机面的交点，z轴垂直水平面向上为正，y轴水平向前，x图3稳定系数计算简图α由图3可以看出该方法是将液压挖掘机各个部分的受力情况均虑在内，然后建立最一般的力矩平衡方程。利用计算机进行优化求解，这种方法得到的稳定系数计算精度和效率都比较高。其分析过程如下：3.1建立数学模型利用优化方法确定挖掘机的最不稳定位置，需要建立适当的数学模型，为此，首先要确定目标函数，其次是确定设计变量和约束条件，并把这三个基本因素用数学表达式描述出来。反映挖掘机稳定性的主要性能指标是稳定系数，因此，把稳定系数K作为优化问题的目标函数，在一定的工况下，该值越大，稳定性越高。3.2计算优化方法因为目标函数其形式十分复杂，要依据相应的工况、坡角、转台转角、各油缸长度以及机器运动的参数，来确定挖掘机自身以及工作装置的位置，然后才可以计算各个部件其重心的位置、惯性力以及挖掘阻力等，最后计算出挖掘机的稳定系数，所以该问题是一个目标函数形式非常复杂，但是变量较少的三维非线性约束问题，不能求导，所以推荐选用不需求导的直接法如复合形优化方法，该法不需求导且对于维数不高的问题效率也好。3.3利用计算机进行分析计算图4挖掘作业前倾稳定性图5挖掘作业后倾稳定性图4、5为运用传统方法和优化方法对上述两种工况进行实例分析计算的结果。图中W代表风，其风压按文献取为250Pa，图中1所指传统方法确定的位置表示为按经验人为给定的位置，其中，稳定系数值大于1为稳定、等于或接近于1为临界稳定、小于1为失稳，用小三角形标记处代表垂直于图面的倾覆线。用计算机优化算法得到的液压挖掘机前倾稳定系数K=0.995，位置如图4中2位置所示。后倾优化后稳定系数为0.992，位置如图5中2所示。由图4、5可以看出用优化手段找出的不稳定位置的稳定系数均比人为给定位置的小。在某些情况下，最不稳定位置下的挖掘力小于人为选定位置的挖掘力。由优化计算结果可知，图4、5中的最不稳定位置的稳定系数均小于且接近于1，说明该二位置为临界稳定位置，进一步的分析还可以知道，这两种位置下的挖掘力是由整机稳定性决定的，且为稳定性决定的挖掘力中的最小值，之所以称之为最不稳定位置的原因也在于此。图4、5两工况的最不稳定系数近似为1，这是由于整机稳定性限制了挖掘力的发挥，使得由此被限制的最大挖掘阻力在该位置下起到了平衡作用，也就是在挖掘机稳定临界状态下，其稳定力矩与阻力距的绝对值基本相等，因此，在这个意义上来说，理论上挖掘机的最小稳定系数应该为1，但是由于挖掘机的数学模型非常复杂，在计算中不可避免的会造成一些误差，此外，因为在以上两种工况下，临界稳定位置比较很多，所以把挖掘力最小的位置认为是最不稳定的位置。从这些分析计算数字和图形结果不难看出，各工况下的最危险位置与实际的情况基本吻合，因而该结果是可信的，为此，在设计阶段应当考虑上述不稳定位置，而在使用过程中也应避免由此而带来的危险。四、总结因为液压式挖掘机的稳定性不仅能提高工作效率，延长机器寿命，更加能够确保操作安全所以在我们设计并计算液压式挖掘机的