液壓挖掘機作業(yè)穩(wěn)定性的計算研究

液壓挖掘機作業(yè)穩(wěn)定性的計算研究摘要：液壓挖掘機是多功能機械的一種，在水利工程，交通運輸，礦山采掘和電力工程等機械施工中被廣泛運用，它能夠減輕人們體力勞動，保證工程的質量，同時還能提高勞動生產率。但其在作業(yè)時有時會出現失穩(wěn)的狀態(tài)，因此對其作業(yè)穩(wěn)定性進行分析計算具有重要的研究意義。關鍵詞：液壓挖掘機，穩(wěn)定性，計算研究一、引言：挖掘機的穩(wěn)定性不但影響到其作業(yè)的安全性，而且關系到挖掘力的發(fā)揮、作業(yè)效率、底盤和平臺的受力以及回轉支承的磨損等，也是相關部件設計計算的依據，但該問題涉及到整機的全部部件的位置、重量、重心位置和工況的選擇，因此分析過程較為復雜。液壓挖掘機穩(wěn)定性好壞是通過穩(wěn)定系數K來衡量的，K是指挖掘機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，其值應大于1才穩(wěn)定，其值越小挖掘機作業(yè)穩(wěn)定性越差。液壓挖掘機作業(yè)穩(wěn)定性計算方法主要包括傳統的分工況計算方法和以此為基礎利用計算機優(yōu)化計算兩種方法。下面對這兩種方法進行簡要分析并對同一種工況下對挖掘機作業(yè)穩(wěn)定性計算結果進行比較。二、挖掘機工作穩(wěn)定性的傳統計算方式挖掘機工作穩(wěn)定性的傳統計算方法大多是通過人們的經驗確定相應的危險工況，根據選定的工況采用數學中的解析方法計算，這種方法在施工現場應用比較廣范。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，必須加以具體分析，本文只對挖掘機在水平面上作業(yè)工況下的穩(wěn)定性進行研究，此時挖掘機的穩(wěn)定性主要分為前傾、后傾穩(wěn)定性。在確定的液壓挖掘機作業(yè)工況下，運用數力學原理推導出的穩(wěn)定力矩M1、傾覆力矩M2及穩(wěn)定系數K的一般化計算公式。2.1挖掘作業(yè)前傾穩(wěn)定性傳統計算如圖1所示，斗齒上作用有挖掘阻力，風自后面吹來，整機有繞前傾覆線（圖1中用I點標記）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：（當時）（1）傾覆力矩按下式計算：（當且時）（2）穩(wěn)定系數計算公式為：（3）式中，——前述各部件重心位置坐標分量(m)；——代表前傾覆線標記點I的坐標分量(m)；——斗齒的位置坐標分量(m)；——挖掘阻力分量(KN)；W——為風載荷，，A為迎風面積(m2)，q為風壓，推薦去q=0.25Kpa，下同。h——為等效風載荷到挖掘機所處平面的距離(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公式中應代以負值。在這種工況下傳統方法計算得到得穩(wěn)定系數K=1.505，此時挖掘機工作在穩(wěn)定狀態(tài)。2.2挖掘作業(yè)后傾穩(wěn)定性傳統計算圖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：（當時）（4）傾覆力矩按下式計算：（當且時）（5）（6）式中，代表后傾覆線的標記點坐標，其余符號的意義同前述。此種工況下計算出的穩(wěn)定系數K=0.994，其值小于1，說明挖掘機工作不穩(wěn)定狀態(tài)。需要強調的是，挖掘機的后傾在有些情況下是允許的也是必須具備的性能。當挖掘機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，這時應能將機身前部抬起；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)定系數必須小于等于1，圖2所示位置即屬于這種情況。三、挖掘機工作穩(wěn)定性計算機優(yōu)化計算方式圖3穩(wěn)定系數計算簡圖α傳統挖掘機作業(yè)穩(wěn)定性計算需要結合具體的工況才能計算出穩(wěn)定系數，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行分析計算,既繁瑣也不全面。計算機優(yōu)化計算通過數學中的矢量分析手段，從全局的觀點出發(fā)，建立任意位置時的穩(wěn)定系數計算公式。當任選一個工況及油缸長度和坡度參數時，可以利用計算機很快獲得相應的穩(wěn)定系數，結果也十分精確。建立如圖3示的空間直角坐標系，其中，坐標原點為回轉中心線與停機面的交點，z軸垂直水平面向上為正，y軸水平向前，x圖3穩(wěn)定系數計算簡圖α由圖3可以看出該方法是將液壓挖掘機各個部分的受力情況均慮在內，然后建立最一般的力矩平衡方程。利用計算機進行優(yōu)化求解，這種方法得到的穩(wěn)定系數計算精度和效率都比較高。其分析過程如下：3.1建立數學模型利用優(yōu)化方法確定挖掘機的最不穩(wěn)定位置，需要建立適當的數學模型，為此，首先要確定目標函數，其次是確定設計變量和約束條件，并把這三個基本因素用數學表達式描述出來。反映挖掘機穩(wěn)定性的主要性能指標是穩(wěn)定系數，因此，把穩(wěn)定系數K作為優(yōu)化問題的目標函數，在一定的工況下，該值越大，穩(wěn)定性越高。3.2計算優(yōu)化方法因為目標函數其形式十分復雜，要依據相應的工況、坡角、轉臺轉角、各油缸長度以及機器運動的參數，來確定挖掘機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，最后計算出挖掘機的穩(wěn)定系數，所以該問題是一個目標函數形式非常復雜，但是變量較少的三維非線性約束問題，不能求導，所以推薦選用不需求導的直接法如復合形優(yōu)化方法，該法不需求導且對于維數不高的問題效率也好。3.3利用計算機進行分析計算圖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為運用傳統方法和優(yōu)化方法對上述兩種工況進行實例分析計算的結果。圖中W代表風，其風壓按文獻取為250Pa，圖中1所指傳統方法確定的位置表示為按經驗人為給定的位置，其中，穩(wěn)定系數值大于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)，用小三角形標記處代表垂直于圖面的傾覆線。用計算機優(yōu)化算法得到的液壓挖掘機前傾穩(wěn)定系數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)化計算結果可知，圖4、5中的最不穩(wěn)定位置的穩(wěn)定系數均小于且接近于1，說明該二位置為臨界穩(wěn)定位置，進一步的分析還可以知道，這兩種位置下的挖掘力是由整機穩(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)定系數近似為1，這是由于整機穩(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，理論上挖掘機的最小穩(wěn)定系數應該為1，但是由于挖掘機的數學模型非常復雜，在計算中不可避免的會造成一些誤差，此外，因為在以上兩種工況下，臨界穩(wěn)定位置比較很多，所以把挖掘力最小的位置認為是最不穩(wěn)定的位置。從這些分析計算數字和圖形結果不難看出，各工況下的最危險位置與實際的情況基本吻合，因而該結果是可信的，為此，在設計階段應當考慮上述不穩(wěn)定位置，而在使用過程中也應避免由此而帶來的危險。四、總結因為液壓式挖掘機的穩(wěn)定性不僅能提高工作效率，延長機器壽命，更加能夠確保操作安全所以在我們設計并計算液壓式挖掘機的