步履式挖掘機可空投能力分析

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，江蘇 南京 210007）

步履式挖掘機是一種全地形挖掘機，是對普通履帶式挖掘機功能的拓展和延伸，履帶式挖掘機功能強大，動力強勁，但受到履帶結構的限制，在遭遇崎嶇、泥濘、陡峭等復雜環(huán)境時，無法安全高效率地工作。步履式挖掘機是由工作裝置、回轉機構、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，由4個液壓缸單獨控制4條支腿，進行縱向、橫向和垂直方向上的調節(jié)，使挖掘機在凹凸不平和狹小地帶時也能夠作業(yè)（見圖1）。

圖1 步履式挖掘機

然而，我國是世界上發(fā)生地質災害較多的國家之一，地質災害發(fā)生的強度大、分布地域廣、頻率高、災害情況嚴重，因此造成了嚴重的路面損毀，普通輪式載具無法在短時間內到達，沒有及時的救援造成了進一步地人員傷亡和經濟財產損失。雖然步履式挖掘機的作業(yè)范圍要比普通履帶式挖掘機廣，但是在遇到地質災害毀壞道路時，步履式挖掘機只能在外圍進行救援，無法深入一線。因此采用超低空投放步履式挖掘機進入災區(qū)深處是一種行之有效的方法。

超低空空投［1］是指飛機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備牽引出貨艙直接投放至地面的空投方式，或者是直升機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超低空空投。

當進行超低空投放時，由于深入救災現場，現場沒有直升機坪與良好的氣候條件、地面地形復雜、直升機穩(wěn)定懸停困難，因此在空投著陸時會發(fā)生各種形式的損傷，這些損傷輕則導致部件變形損壞，重則導致整臺機器損毀，延誤救援進程。

目前，我國已經具備了空降戰(zhàn)車的空投能力?？胀稇?zhàn)車屬于外形規(guī)則的裝備，經過合理的緩沖包裝后，質量均勻，很少出現大角度質量偏移的問題。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相比，具有以上2個優(yōu)點。

因此，筆者以步履式挖掘機為研究對象，對未進行緩沖包裝的裝備進行理論分析和計算，分析僅2個小輪著陸、僅2個大輪著陸、4個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，步履式挖掘機的側翻角度，又分析了在有緩沖包裝的情況下步履式挖掘機的工作臂、大支腿和小支腿在慣性作用下的沖擊和相應的簡易加固方法。

1 極端情況沖擊分析

空投時，步履式挖掘機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。挖掘機整體速度下降至3m/s，此時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，7m/s著陸初速，地面平坦，氣囊完全打開。

圖2 空投時速度與加速度曲線

在救災現場可能造成以下極端現象的發(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個小輪著地承受沖擊

FEF為小輪著地時受到沖擊力，此時整車質量的一半作用于一個小輪上，小輪支腿受到沖擊時繞D點旋轉。LED是沖擊載荷的力臂，長度600mm；FAC是小輪受到沖擊時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。

結論：該工況十分危險，若發(fā)生，則小支腿升降缸損毀，應避免。

1.2 僅2個大輪著地承受的沖擊毀傷

當大輪著陸承擔沖擊載荷時，大支腿受力情況和大支腿升降缸受力如上，此時整車質量的一半作用于每個大輪上，大輪著陸時大支腿繞C點旋轉。LCD為受到沖擊時沖擊載荷的力臂，長度1000mm；FAB為大支腿升降缸受到沖擊載荷時的反作用力，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

單個輪子受力，得392kN；

大腿升降缸半徑50mm，面積為0.00785m2；

得124MPa。

結論：該工況十分危險，若發(fā)生，則大支腿升降缸損毀，應避免。

1.3 4個輪子著地承受的沖擊毀傷

如圖5所示，4個輪子著地。

圖5 4個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；

結論：每個輪子承受的力為196kN，將產生嚴重毀傷，應盡力避免。

1.4 僅挖斗著地承受的沖擊毀傷

當挖掘機處于僅挖斗著地時，挖斗受力和工作裝置液壓缸受力如圖6：A點為挖斗受力點，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，整個動臂繞O點旋轉，臂下方僅1個缸著力，FCB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；

結論：挖斗首先著地引起的液壓缸，銷軸的毀傷是嚴重的，應盡力避免。

2 側翻沖擊及防護

2.1 無貨臺側翻分析

無貨臺時，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是無貨臺時左邊三角形的邊，長度925mm，利用反正切三角函數得向左側傾角度為36.07°；同理，LCD是無貨臺時右邊三角形的邊，長度1075mm，利用反正切三角函數得角度為40.25°（見圖7）。

圖7 側翻沖擊示意圖

2.2 有貨臺側翻分析

有貨臺時，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得角度為45.99°。

有貨臺時，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°，因此在整車基礎上加裝空降貨臺可以加大挖掘機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，FPN為重力沖擊載荷，LNM是重力繞M點產生的力臂，長度2200mm，工作裝置在沖擊下產生的力矩為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生的反作用力，LML是該反作用力的力臂，長度600mm。

根據力矩平衡115836×2.2=0.6×F1，F1=424.732kN；工作臂油缸受力為424.732kN，因此2個銷子受力為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，或者在大臂上加一個截面直徑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點旋轉，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，根據力矩平衡

49000×0.8=0.4×F，F=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，F2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。

結論：依據以上分析，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點為小支腿在重力載荷下旋轉點，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；

根據力矩平衡29.4×0.4=0.25×F1，F1=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，F2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

結論：依據以上分析，只借助氣囊與蜂窩紙緩沖即可滿足要求。

4 結束語

本文根據步履式挖掘機結構特點，考慮在空投時各種極端情況，對其進行了毀傷分析，并且針對防側翻問題和慣性力導致的沖擊問題進行了計算和分析，獲得了毀傷情況，并給出了防護建議。