一种适用于多种复杂地形的步履式挖掘机支爪

回海旭

摘要：本文针对当前步履式挖掘机支爪设计存在的问题，将各种支爪的优点进行综合，提出一种特殊的支爪结构，从而能够适应应急救援的复杂地形且能对不同地形进行功能切换的步履式挖掘机支爪。以此提高应急救援效率和整机稳定性，并通过电子控制单元的信号处理，提升机身的整体安全性。

Abstract： Aiming at the problems existing in the design of claws of walking excavators， this paper combines the advantages of various claws， and proposes a special claw structure， which can adapt to the complicated terrain of emergency rescue and can switch the functions of different terrains. This improves the efficiency of emergency rescue and the stability of the whole machine， and improves the overall safety of the fuselage through the signal processing of the electronic control unit.

关键词：挖掘机;复杂地形;支爪;整机稳定性;应急救援

Key words： excavator;complex terrain;claws;overall stability;emergency rescue

中图分类号：TU621                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）04-0184-03

1  概述

1.1 课题背景与意义

近年来，山体滑坡、泥石流、塌方、地震等各类事故、自然灾害频频发生，严重威胁着人们的生命和财产的安全。救援装备作为灾害救援工作中最重要的救援工具支撑，是救援体系的基础，决定着救援成败和救援效率。挖掘机救援装备作为处理突发应急事件的重要物质基础，装备水平的高低是影响救援效果的重要因素。

挖掘机的种类繁多，按照行走方式可以分为履带式、轮胎式等，履带式挖掘机与轮胎式挖掘机相比具有较好的爬坡能力，稳定性较好，但是其行驶速度不高，另外两者的底盘均采用固定式结构，地形适应能力有限，对于一些如山地、沼泽地带等地形复杂的场所却束手无策，无法在这些地区进行行驶和作业，而且目前大多数挖掘机的功能扩展性较差，因此特殊现场中采用常规的抢险挖掘机往往不能很有效率地进行作业，而且现有的較为先进的步履式挖掘机，在稳定性和承载功率方面又不稳定，从而一定程度上拖延了救灾工作的进度。因此，救援挖掘机问题显得尤为突出。

1.2 现有挖掘机的结构特点

挖掘机的种类繁多，按照行走方式可以分为履带式、轮胎式等，履带式挖掘机与轮胎式挖掘机相比具有较好的爬坡能力，稳定性较好，但是其行驶速度不高，另外两者的底盘均采用固定式结构，地形适应能力有限，对于一些如山地、沼泽地带等地形复杂的场所却束手无策，无法在这些地区进行行驶和作业，而且目前大多数挖掘机的功能扩展性较差，因此特殊现场中采用常规的抢险挖掘机往往不能很有效率地进行作业，在稳定性和承载功率方面又不稳定，从而一定程度上降低救灾工作的效率。因此，救援挖掘机问题显得尤为突出。

现阶段，我国已经研发出步履式挖掘机，如图1，并被应用于复杂地面施工和抢险救灾等领域，其结构设计和应用领域得到了较大的突破。但是，市面上大多数步履式挖掘机仍然存在一些不足之处：①挖掘机底盘过于单薄，支爪结构稳定性不足，限制其负载能力;②前爪与支腿的联接活动空间较少，地形适应能力和抓地可靠性差。

西方国家对步履式挖掘机的研究时间较长，为提高机身的稳定性，大多使用短式履带结合液压结构，四履四驱，并且实现±30°摆动，如图2。为实现机体轻便，履带一般采用新型柔性材料。而且目前也是仅仅处于研发阶段，并没有实际应用。他们存在的主要问题有：

①成本过高，对设备的维护和管理要求较高;②负载能力有待提高;③运动速度较慢，通常需要运输车运载。

基于对以上的分析，为克服现有的履带式和轮胎式挖掘机以及步履式挖掘机的不足，以及针对自然灾害的救援，本文设计了一种全地形多功能应急救援挖掘机支爪结构，该挖掘机支爪具有较强的功能扩展能力，可帮助步履式挖掘机进入山地、陡坡、沼泽、林地等复杂地带行驶和作业。

2  装置原理与创新

2.1 工作原理

2.1.1 机械部分

由图可知，该支爪（如图3）分两个传动机构，第一传动机构和第二传动机构的运动分别带动实心中心轴和中层空心轴运动，实心中心轴的运动带动爪板张合，中层空心轴的运动带动蹼板的张合，具体来说，实心中心轴向上运动时，带动尖顶向上运动，尖顶与连杆通过第一转动副连接，尖顶的运动带动连杆运动，从而使爪板张开合适的角度。当实心中心轴带动尖顶向下运动时，尖顶的运动带动连杆运动，连杆带动爪板收拢，从而提高抓地性，保证在复杂地形挖掘机的稳定性，同时尖顶也随着实心中心轴运动的向下运动而深入地面，提高与地面契合度。当中层空心轴向下运动时，带动蹼板收拢;当中层空心轴向上运动时，带动蹼板运动张开合适角度，从而增加挖掘机与地面的接触面积，保证其在易陷路段顺利通过，当然也可以同时控制爪板和蹼板相互配合使用。

2.1.2 电子控制部分（如图4）

通过操纵位于驾驶室的操作杆向ECU施加信号，并通过接受位于爪板处的转角传感器传回的反馈信号，对系统进行反馈调节，使角度调节更加简便精确。具体来说，通过向前推动第一控制手柄，向电子控制单元发送第一指令，电子控制单元控制第一传动机构提拉实心中心轴向上运动;向后推动时，控制手柄向电子控制单元发送第二指令，第一传动机构在电子控制单元的控制下推动实心中心轴向下运动。

通过向前推动第二控制手柄向电子控制单元发送第三指令，第二传动机构在电子控制单元的控制下推动中层空心轴向下运动;向后推动时，控制手柄向电子控制单元发送第四指令，第二传动机构在电子控制单元的控制下提拉中层。

2.2 项目创新之处[6]

①挖掘机支爪采用可调张角爪板和蹼板对不同地形进行適应。

②通过中心轴和空心轴对爪板和蹼板进行分别控制，因此可根据不同的地形，将爪板和蹼板相互配合，通过改变与地面的接触面积，实现对机身压强的减少，增强了机身的稳定性。

③整个轴体利用套轴原理，既能节省空间又能达到所需抗扭性能，利用有限的空间实现蹼板和爪板的分别控制，实现了控制效果，又节省了空间材料，降低整个结构的重量。

④通过操纵位于驾驶室的操作杆向ECU施加信号，并通过接受位于爪板处的转角传感器传回的反馈信号，对系统进行反馈调节，使角度调节更加简便精确。

⑤挖掘机支爪还设置有转角传感器，将传递角度信息到ECU，当该反馈信号与驾驶员输入信号差值不安全时，通过报警指示灯点亮向控制人员反馈信息。

3  工作参数及工作应力计算

国家863重点计划对步履式挖掘机的要求，步履式挖掘机所要达到的技术指标发动机功率P≤85kW，质量 m≤8000kg[1]。

其他智能型步履式挖掘机相关参数[2]，详见表1。

结合表1，及9.00-200轮胎特性，拟定以下计算数据：

拟定轮胎宽度b=205mm;轮胎直径16英寸;材料尼龙;挖掘机机身9吨;满载重量12吨。

当处于满载工作状态时，断面宽约为228.6mm[3]。

3.1 正常四轮工作状态

3.2 最大接触面积工作状态

G——机身工作重量，N;σ平均——车身对地面平均应力，MPa; b——轮宽，mm;A支爪——支爪与地面最大接触面积，MPa;A爪板——爪板与地面最大接触面积，MPa;A蹼板——蹼板与地面最大接触面积，mm2;a——断面宽，mm。（在此应力条件下，断面宽取173mm[4]）。

4  支爪选材及应力校核

经过力学分析，爪板末端与支爪外壁连接处转动销为最薄弱环节，故对其强度进行校核：

挖掘机支爪转动销剪应力计算：

计算可知实际剪应力τ实际=115.62MPa<156.3MPa。在此计算的是单个转动销极限剪应力状态，则对于正常行驶状态的挖掘机用Q345钢可以达到应力需求。

5  结语

本文提出的步履式挖掘机支爪，提高了步履式挖掘机的多地形适应能力，结构简单，成本低，能够有效提高救援效率，经过理论计算证明了该支爪确实能够有效降低机身对地面的应力，具有很强的实用性和可行性。

参考文献：

[1]张云.一种步履式挖掘机的设计与研制[D].西安：长安大学，2016.

[2]张鑫.智能型步履式挖掘机动态稳定性分析[D]，大庆：东北石油大学，2014.

[3]王庆年，赵子亮，李幼德.9.00-200尼龙轮胎高速滚动表面温度场的试验研究[J].轮胎工业，2001（03）：183-187.

[4]陈家瑞.汽车构造[M].三版.北京：机械工业出版社，2019.

[5]闻邦椿.机械设计手册[M].五版.北京：机械工业出版社，2010.

[6]周淑文.一种适用于多种复杂地形的步履式挖掘机支爪[P]：中国，201911134029.8.2019-11-19.