地下铲运机静态稳定性分析与评价

张金鹏，赵国勇

（山东理工大学，山东 淄博 255000）

1 铲运机工作装置结构优化

1.1 工作装置概述

铲运机在实际工作中，由于结构的多样，在不同工况下的作业效率常呈现较大差异，作业循环周期和铲运机整体的外形尺寸也有不同。六杆结构是工作中较常出现的铲运机结构类型，由连杆、大臂、铲斗、油缸等部分组成。铲运机的工作装置通过铰接安装在前车架上，控制转斗油缸，通过连杆传递完成铲斗的铲取和卸载工作，举升油缸同样通过液压驱动控制大臂升降。

1.2 工作装置的工作过程

铲运机工作装置的运动是车架以及动力油缸等配合工作的体现，举升油缸和转斗油缸的伸缩控制是其主要动力来源。在实际作业过程中，铲运机的工作状态主要分为以下五种：（1）插入工况：铲运机大臂下降，到其贴到前车架前面的支撑垫片上，这时铲斗处于地面上，斗尖与地面接触，斗尖与地面的倾角为约为5°左右，准备工作结束后开动铲运机，通过铲运机机身的移动使铲斗插入料堆。（2）运输工况：铲斗铲取物料后使铲斗转动，直到铲斗口处于近似水平位置，保证物料滑落量最小。收斗完成后举升大臂，达到稍高于地面，且不影响操作员视野的位置，并且保持这种状态运动到卸载物料目的地。（3）重载举升工况：铲运机完成物料装载准备卸载时举升大臂至卸载高度。（4）卸载工况：铲运机在卸载位置，使铲斗到达卸载高度后通过驱动转斗油缸，铲斗向下倾斜，完成物料卸载作业，卸载完成后使铲斗放置在常规运输位置。（5）自动放平工况：铲运机完成卸载作业后，将大臂下降至铲取位置，铲斗将自动由卸载时的45°左右翻转到铲斗与地面保持5°左右倾角的位置，在铲斗放平状态下可直接进行铲取作业。

1.3 工作装置设计的基本要求

转斗机构是铲运机工作装置中的主要机构，对于转斗机构，在设计时需要其在工作中能够提供足够的铲取力，在铲取过程中受到铲取阻力的情况下依然能够平稳完成作业。由于铲运机多变的工作环境，模拟实际应用过程中的作业情况时，应注意以下几方面的设计要求：

（1）工作中铲斗角度要求：为了保证铲斗中物料完全卸载，需要铲斗角度在45°左右，同时需要达到所要求的卸载距离与卸载高度；运输时，后倾角需要保持在45°；当铲斗放平时，斗底与地平面的夹角约为5°左右；铲装作业时，斗底与地平面的夹角约为15°。（2）作业运动要求：要求铲运机在运动过程中速度和加速度的变化在合理的范围内。（3）铲运机动力要求：铲取时，为了获得较大的有效分，传递角（连杆线与斗铰线夹角）应该接近90°左右；运输时，需要控制夹角在170°以内，防止洒落。铲斗在最高位置时，传动角需大于10°，防止机构自锁；在对摇臂进行设计时可以在不影响作业效果的前提下设计的短一些，这工作装置工作效率的提高有着一定的促进作用。

2 铲运机的静态稳定性分析与评价

铲运机的稳定性主要是地下铲运机在巷道或斜坡道行驶和作业过程中抗倾翻的能力，抗倾翻性是保证铲运机能够稳定、安全运行的一项重要指标。

通过稳定比、稳定度来评价地下铲运机在不同路况上行驶或静置的稳定性表现，其中最常见的是分析研究铲运机在下坡行驶以及斜坡静置的情况下是否会发生侧翻等事故。稳定比是指地下铲运机在巷道或者斜坡道时，尤其是在物料载荷的作用下，铲运机在运动过程中的倾翻力矩与其平稳力矩的比，用K表示，即：

满载的铲运机停在水平面上，动臂水平伸出时的稳定比为：

式中，Q为地下铲运机的额定载重量；G0为地下铲运机的操作重量；G2为空载时地下铲运机动臂水平伸出时后桥的负荷；L为地下铲运机的轴距；L1为铲运机额定载重下重心与前桥中心线的水平距离；L2为空载状态下中心与前桥的水平距离。

K=1时，则稳定力矩M稳定等于倾翻力矩M倾翻，此时，地下铲运机的稳定水平处于稳定边缘；K＜1时，M倾翻＜M稳定地下铲运机处于稳定状态；K＞1时，M倾翻大于M稳定，此时，地下铲运机将会倾翻。

稳定度是指地下铲运机处于斜坡时表现出的稳定性评价指标。发生倾翻时的坡度角，称为失稳角。若将失稳角以坡度来表示即α、β的正切值，排除铲运机轮胎变形的影响因素，可以将其纵向稳定度用下列方程表示：

横向稳定度可以表示为：

显而易见，当地下铲运机所行驶的坡道角小于稳定度，则不会发生倾翻。如果铲运机停放或是行驶的坡道角大于稳定度，则会出现倾翻现象。很多情况下，虽然其稳定度表现一致，铲运机在这一坡道上平稳行驶仍有风险，因此要保证地下铲运机在坡道上滑移或滑转先于倾翻，即：

式中，l2为重心与后桥的水平距离；h为重心高度；φ为附着系数；B为地下铲运机轮距。

铲运机在实际运行过程中，轮距相对较小。因此，在进行铲运机设计时，可以通过降低铲运机重心高度来满足上式条件。

2.1 铲运机的纵向稳定性和横向稳定性

（1）纵向稳定性。铲运机在实际运行过程中较容易发生纵向倾翻的工况主要有以下三种：①铲运机满载状态下处于纵向斜坡上且动臂最大伸出时；②铲运机满载状态下在下坡路段行驶运输时；③铲运机空载状态下上坡行驶。

铲运机倾翻发生时，前轮完全承担机身总重量，这必然导致铲运机前轮出现明显形变，后轮形变消失，后驱动桥的负荷为零。使得铲运机在临近倾翻之前就己出现了一个倾斜角度。因此，计算铲运机稳定度时，需考虑前轮的形变，则地下铲运机在斜坡作业时的纵向稳定度应按下式计算：

式中，Ls为满载时，地下铲运机动臂水平伸出时整机重心至前桥的距离；Hs为满载时，铲运机动臂水平伸出时重心的高度；L为铲运机轴距；δ1为铲运机前轮在载荷作用下发生变形与水平位置时前轮变形量之差；δ2为水平停放时后轮胎的变形量。

通过以上分析可以了解到，铲运机满载情况下在坡道上动臂最大伸出时是铲运机稳定性最差的时刻。

（2）横向稳定性。因为地下铲运机摆动桥横倾翻情况下，先是绕由固定桥侧轮接地点和与纵向水平铰销中点三点组成的，所以地下铲运机的一级稳定性是指坡底线与倾翻轴在横坡的投影平行时的稳定度，由下式表示：

2.2 影响地下铲运机稳定性的主要因素

通过对铲运机运行过程和稳定性的研究，发现影响铲运机稳定性的主要因素包括轴距和轮距两个方面：

轴距对铲运机稳定性影响很大。通常情况下，轴距越长，铲运机工作过程中的侧向稳定性和纵向稳定性表现越好。轴距越长，前后轮分配到的侧偏力越均衡；轴距约短，侧偏力差值越大。当侧偏力过大，突破了轮胎附着极限的程度，该车轮就会发生侧滑。另外，如果铲运机的轴距过大，车身的灵活性会下降，行驶过程中转弯半径增大，机动性大打折扣。因此，铲运机并不是轴距越长操作性越好。

轮距的变化也会影响整车的稳定性。在实际运行中，轮距越大，整车的稳定性越好。因为在横向倾斜行驶过程中，外侧车轮能够为车身提供更稳定的支撑，提升整车的安全性。除此之外，加宽轮距能够给驾驶舱提供更大的空间，增加活动范围，提高操作者的舒适度。但是，随着轮距加大，整机机身的宽度和重量通常也会增大，在这种情况下，进行作业就会出现轮胎陷入后难以脱困等问题。因此，在设计过程中如果需要增加轮距，必须综合考虑如外观、部件的布置等多种因素。此外，还与轮胎刚度、整车质心高度和车体摆动结构等有关。

3 结语

本文主要对地下铲运机总体结构方面以及实际应用过程中涉及的性能参数、铲运机静态以及作业过程中的稳定性进行了研究，最后对影响地下铲运机稳定性的几种常见因素进行总结，同时提出能够有效提高铲运机工作过程中稳定性的方法，这些方法以及理论是地下铲运机虚拟样机的建模及静态稳定性的仿真分析工作的重要基础。