液壓挖掘機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性的計算研究

液壓挖掘機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性的計算研究摘要：液壓挖掘機(jī)是多功能機(jī)械的一種，在水利工程，交通運(yùn)輸，礦山采掘和電力工程等機(jī)械施工中被廣泛運(yùn)用，它能夠減輕人們體力勞動，保證工程的質(zhì)量，同時還能提高勞動生產(chǎn)率。但其在作業(yè)時有時會出現(xiàn)失穩(wěn)的狀態(tài)，因此對其作業(yè)穩(wěn)定性進(jìn)行分析計算具有重要的研究意義。關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)，穩(wěn)定性，計算研究一、引言：挖掘機(jī)的穩(wěn)定性不但影響到其作業(yè)的安全性，而且關(guān)系到挖掘力的發(fā)揮、作業(yè)效率、底盤和平臺的受力以及回轉(zhuǎn)支承的磨損等，也是相關(guān)部件設(shè)計計算的依據(jù)，但該問題涉及到整機(jī)的全部部件的位置、重量、重心位置和工況的選擇，因此分析過程較為復(fù)雜。液壓挖掘機(jī)穩(wěn)定性好壞是通過穩(wěn)定系數(shù)K來衡量的，K是指挖掘機(jī)在特定工況下對傾覆線的穩(wěn)定力矩M1與傾覆力矩M2之比，其值應(yīng)大于1才穩(wěn)定，其值越小挖掘機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性越差。液壓挖掘機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性計算方法主要包括傳統(tǒng)的分工況計算方法和以此為基礎(chǔ)利用計算機(jī)優(yōu)化計算兩種方法。下面對這兩種方法進(jìn)行簡要分析并對同一種工況下對挖掘機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性計算結(jié)果進(jìn)行比較。二、挖掘機(jī)工作穩(wěn)定性的傳統(tǒng)計算方式挖掘機(jī)工作穩(wěn)定性的傳統(tǒng)計算方法大多是通過人們的經(jīng)驗(yàn)確定相應(yīng)的危險工況，根據(jù)選定的工況采用數(shù)學(xué)中的解析方法計算，這種方法在施工現(xiàn)場應(yīng)用比較廣范。由于工況較多，不同工況的穩(wěn)定性要求不完全相同，甚至同一個部件，由于其位置的不斷變化，在同樣工況中的作用也不一定相同，因此難以用一個計算公式描述所有工況的穩(wěn)定性系數(shù)，必須加以具體分析，本文只對挖掘機(jī)在水平面上作業(yè)工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，此時挖掘機(jī)的穩(wěn)定性主要分為前傾、后傾穩(wěn)定性。在確定的液壓挖掘機(jī)作業(yè)工況下，運(yùn)用數(shù)力學(xué)原理推導(dǎo)出的穩(wěn)定力矩M1、傾覆力矩M2及穩(wěn)定系數(shù)K的一般化計算公式。2.1挖掘作業(yè)前傾穩(wěn)定性傳統(tǒng)計算如圖1所示，斗齒上作用有挖掘阻力，風(fēng)自后面吹來，整機(jī)有繞前傾覆線（圖1中用I點(diǎn)標(biāo)記）向前傾覆的趨勢。圖圖1作業(yè)時的前傾穩(wěn)定性分析此時的穩(wěn)定力矩按下式計算：（當(dāng)時）（1）傾覆力矩按下式計算：（當(dāng)且時）（2）穩(wěn)定系數(shù)計算公式為：（3）式中，——前述各部件重心位置坐標(biāo)分量(m)；——代表前傾覆線標(biāo)記點(diǎn)I的坐標(biāo)分量(m)；——斗齒的位置坐標(biāo)分量(m)；——挖掘阻力分量(KN)；W——為風(fēng)載荷，，A為迎風(fēng)面積(m2)，q為風(fēng)壓，推薦去q=0.25Kpa，下同。h——為等效風(fēng)載荷到挖掘機(jī)所處平面的距離(m)；Gi為各個部件重量(KN)，從1到11依此代表下部車架以及行走部分、平臺、動臂、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖臂、連桿及物料的重量，Gi公式中應(yīng)代以負(fù)值。在這種工況下傳統(tǒng)方法計算得到得穩(wěn)定系數(shù)K=1.505，此時挖掘機(jī)工作在穩(wěn)定狀態(tài)。2.2挖掘作業(yè)后傾穩(wěn)定性傳統(tǒng)計算圖2作業(yè)時的后傾穩(wěn)定性分析如圖2所示，挖掘阻力作用在斗齒上，整機(jī)繞后傾覆線（圖圖2作業(yè)時的后傾穩(wěn)定性分析此時的穩(wěn)定力矩按下式計算：（當(dāng)時）（4）傾覆力矩按下式計算：（當(dāng)且時）（5）（6）式中，代表后傾覆線的標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)，其余符號的意義同前述。此種工況下計算出的穩(wěn)定系數(shù)K=0.994，其值小于1，說明挖掘機(jī)工作不穩(wěn)定狀態(tài)。需要強(qiáng)調(diào)的是，挖掘機(jī)的后傾在有些情況下是允許的也是必須具備的性能。當(dāng)挖掘機(jī)爬較大的坡或逾越一些特殊的障礙物時工作裝置前伸、齒尖著地，這時應(yīng)能將機(jī)身前部抬起；另一方面，在挖掘地面以下土壤時，為防止前翻，伸出的工作裝置必須有足夠的力量頂住地面，此時的穩(wěn)定系數(shù)必須小于等于1，圖2所示位置即屬于這種情況。三、挖掘機(jī)工作穩(wěn)定性計算機(jī)優(yōu)化計算方式圖3穩(wěn)定系數(shù)計算簡圖α傳統(tǒng)挖掘機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性計算需要結(jié)合具體的工況才能計算出穩(wěn)定系數(shù)，但這樣確定的位置并不一定是穩(wěn)定性最差的位置或是最危險的位置，而且計算出的若對危險工況逐一進(jìn)行分析計算,既繁瑣也不全面。計算機(jī)優(yōu)化計算通過數(shù)學(xué)中的矢量分析手段，從全局的觀點(diǎn)出發(fā)，建立任意位置時的穩(wěn)定系數(shù)計算公式。當(dāng)任選一個工況及油缸長度和坡度參數(shù)時，可以利用計算機(jī)很快獲得相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果也十分精確。建立如圖3示的空間直角坐標(biāo)系，其中，坐標(biāo)原點(diǎn)為回轉(zhuǎn)中心線與停機(jī)面的交點(diǎn)，z軸垂直水平面向上為正，y軸水平向前，x圖3穩(wěn)定系數(shù)計算簡圖α由圖3可以看出該方法是將液壓挖掘機(jī)各個部分的受力情況均慮在內(nèi)，然后建立最一般的力矩平衡方程。利用計算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化求解，這種方法得到的穩(wěn)定系數(shù)計算精度和效率都比較高。其分析過程如下：3.1建立數(shù)學(xué)模型利用優(yōu)化方法確定挖掘機(jī)的最不穩(wěn)定位置，需要建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，為此，首先要確定目標(biāo)函數(shù)，其次是確定設(shè)計變量和約束條件，并把這三個基本因素用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述出來。反映挖掘機(jī)穩(wěn)定性的主要性能指標(biāo)是穩(wěn)定系數(shù)，因此，把穩(wěn)定系數(shù)K作為優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)，在一定的工況下，該值越大，穩(wěn)定性越高。3.2計算優(yōu)化方法因?yàn)槟繕?biāo)函數(shù)其形式十分復(fù)雜，要依據(jù)相應(yīng)的工況、坡角、轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角、各油缸長度以及機(jī)器運(yùn)動的參數(shù)，來確定挖掘機(jī)自身以及工作裝置的位置，然后才可以計算各個部件其重心的位置、慣性力以及挖掘阻力等，最后計算出挖掘機(jī)的穩(wěn)定系數(shù)，所以該問題是一個目標(biāo)函數(shù)形式非常復(fù)雜，但是變量較少的三維非線性約束問題，不能求導(dǎo)，所以推薦選用不需求導(dǎo)的直接法如復(fù)合形優(yōu)化方法，該法不需求導(dǎo)且對于維數(shù)不高的問題效率也好。3.3利用計算機(jī)進(jìn)行分析計算圖4挖掘作業(yè)前傾穩(wěn)定性圖5挖掘作業(yè)后傾穩(wěn)定性圖4、5為運(yùn)用傳統(tǒng)方法和優(yōu)化方法對上述兩種工況進(jìn)行實(shí)例分析計算的結(jié)果。圖中W代表風(fēng)，其風(fēng)壓按文獻(xiàn)取為250Pa，圖中1所指傳統(tǒng)方法確定的位置表示為按經(jīng)驗(yàn)人為給定的位置，其中，穩(wěn)定系數(shù)值大于1為穩(wěn)定、等于或接近于1為臨界穩(wěn)定、小于1為失穩(wěn)，用小三角形標(biāo)記處代表垂直于圖面的傾覆線。用計算機(jī)優(yōu)化算法得到的液壓挖掘機(jī)前傾穩(wěn)定系數(shù)K=0.995，位置如圖4中2位置所示。后傾優(yōu)化后穩(wěn)定系數(shù)為0.992，位置如圖5中2所示。由圖4、5可以看出用優(yōu)化手段找出的不穩(wěn)定位置的穩(wěn)定系數(shù)均比人為給定位置的小。在某些情況下，最不穩(wěn)定位置下的挖掘力小于人為選定位置的挖掘力。由優(yōu)化計算結(jié)果可知，圖4、5中的最不穩(wěn)定位置的穩(wěn)定系數(shù)均小于且接近于1，說明該二位置為臨界穩(wěn)定位置，進(jìn)一步的分析還可以知道，這兩種位置下的挖掘力是由整機(jī)穩(wěn)定性決定的，且為穩(wěn)定性決定的挖掘力中的最小值，之所以稱之為最不穩(wěn)定位置的原因也在于此。圖4、5兩工況的最不穩(wěn)定系數(shù)近似為1，這是由于整機(jī)穩(wěn)定性限制了挖掘力的發(fā)揮，使得由此被限制的最大挖掘阻力在該位置下起到了平衡作用，也就是在挖掘機(jī)穩(wěn)定臨界狀態(tài)下，其穩(wěn)定力矩與阻力距的絕對值基本相等，因此，在這個意義上來說，理論上挖掘機(jī)的最小穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)該為1，但是由于挖掘機(jī)的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，在計算中不可避免的會造成一些誤差，此外，因?yàn)樵谝陨蟽煞N工況下，臨界穩(wěn)定位置比較很多，所以把挖掘力最小的位置認(rèn)為是最不穩(wěn)定的位置。從這些分析計算數(shù)字和圖形結(jié)果不難看出，各工況下的最危險位置與實(shí)際的情況基本吻合，因而該結(jié)果是可信的，為此，在設(shè)計階段應(yīng)當(dāng)考慮上述不穩(wěn)定位置，而在使用過程中也應(yīng)避免由此而帶來的危險。四、總結(jié)因?yàn)橐簤菏酵诰驒C(jī)的穩(wěn)定性不僅能提高工作效率，延長機(jī)器壽命，更加能夠確保操作安全所以在我們設(shè)計并計算液壓式挖掘機(jī)的