某型步履式挖掘机底盘设计与可靠性分析

王 勇，邢振振，张 鑫，祖海英，赵伟民

(1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)(2.北京中车重工机械有限公司，北京 102200)

在频繁发生地震、泥石流、塌陷等地质灾害的复杂环境中，救援工作对挖掘机的施工性能提出了更高的要求。在此背景下研发的步履式挖掘机受到了广泛关注，在同等挖掘施工能力下，步履式挖掘机与履带、轮式底盘挖掘机相比，其整机结构紧凑，自身质量小[1]，具有更强的作业灵活性、障碍通过性和环境适应性，可在抢险救灾、防洪防涝等救援工作中大显身手，同时也能够在林地、山坡、沟渠等特殊工况下作业。

底盘的可靠设计是保证步履式挖掘机稳定作业的关键，目前有关挖掘机步履式底盘的研究文献相对较少，且主要集中在底盘受力求解方法[2]、环境适应性[3]和自由度[4]等方面的理论分析及参数优化。因此，对步履式挖掘机底盘设计进行可靠性分析可进一步完善步履式底盘的研究工作。

1 整机模型及主要技术参数

图1所示为步履式挖掘机的整机三维模型。挖掘机工作装置的铰接位置数量较多、结构复杂，它的不同动作对底盘强度的影响较大，因此对其主要结构件进行了建模装配，对其上车内部发动机、油箱等部件则通过施加载荷的方式进行了简化。其主要由工作装置、回转平台、步履式底盘、液压系统、电控系统、驾驶室等部件构成。各设计技术参数见表1。

2 步履式底盘结构设计

图1 步履式挖掘机整机模型

技术参数取值整机质量/kg9 000铲斗容量/m30.32工作装置提升力/kN50发动机额定输出功率/kW60底盘驱动形式2×4行走最大爬坡度/%50行走速度/(km·h-1)5.2～9.0上车回转速度/(r·min-1)12最大作业高度/mm6 000最大作业深度/mm4 500最大作业半径/mm7 100

图2所示为步履式底盘模型，其结构组成相对复杂，主要由底盘主体(底座)、支撑爪、前后支腿、前后铰座、轮胎等构成。

底盘主体采用常见的整体式箱型结构，比组合式主体结构相对简单，但制造工艺较复杂。在其回转支承上部连接有整个上车系统，外围前后铰支座连接摆动支腿及支腿驱动液压油缸，因此必须合理设计、布局底盘结构，保证支腿摆动角度满足要求且与其他结构组件不发生干涉，并确保其具有足够的强度。主体中空部分同样需要进行合理设计，以便于安装控制底盘动作的电气组件、液压组件等，并方便进行后期的保养和维护。

1—支撑爪；2—伸缩支腿；3—前支腿；4—前铰座；5—底座；6—后铰座；7—驱动轮；8—后支腿；9—导向轮

支腿采用带伸缩臂的轮胎支腿，它包括两个可调角度并可伸缩的支撑爪、可摆动的前支腿和两个带有驱动轮的可摆动后支腿。前后支腿的相互配合动作可使挖掘机轻松越过垂直障碍，也可有效增加作业高度，从而实现挖掘机倾斜调平、爬越障碍、跨越沟壑等非常规动作。支腿伸出并分开撑地(或伏地)可显著提高挖掘机施工的稳定性，配合安全钢丝绳能够在坡度为100%的斜坡上安全作业。

该种支腿的设计具有以下特点：支撑爪与前支腿的相对角度可调(共2种)，可结合不同的地形选择；后支腿的水平摆动采用平行四边形结构，这样可以保证两个驱动轮始终与车身保持平行；通过水平摆动前支腿可实现车体转弯行走。

3 底盘主体的可靠性分析[5]

用工程软件分别在铲斗前撑地、后撑地、侧撑地、前45°撑地、后45°撑地5种工况下对底盘主体进行有限元强度和疲劳仿真分析。一般认为以上工况下底盘受力较大。

3.1 前撑地工况底盘受力分析

本文仅以挖掘机铲斗前撑地一种工况为例进行受力分析。如图3所示，整机平放于水平面上，铲斗在车身正前方C点撑地，并能使前支腿的轮胎刚好离开地面而不受力。整机处于A点(2处)和C点(1处)三点平衡支撑状态。此时，A点的力矩平衡方程为：

∑MA=-G·L2+FC·L1=0

(1)

式中：∑MA为A点的合力矩，N·mm；G为挖掘机总重力，N；FC为C点支反力，N。

将相关数据代入式(1)中即可求得铲斗支撑处的支反力FC，并将其作为远程载荷添加到算例中进行仿真分析。

图3 前撑地工况受力分析图

3.2 底盘主体有限元强度分析

将底盘主体三维模型调入Simulation中，新建一个静应力分析算例，设定主体材料类型为Q345，设定材料属性：弹性模量为2.06E+11N/m2，抗剪模量为7.9E+10N/m2，质量密度为7 850kg/m3，屈服强度为3.45E+8N/m2，泊松比为0.28。

约束和边界条件：在其4个铰接位置添加固定铰链约束。

施加载荷：首先施加引力载荷，然后在回转支承上施加上车系统的总重力41 800N，最后施加前述受力分析求得的远程载荷FC。

生成网格：使用高品质实体网格，网格控制基于曲率，其他均为默认选择，查看网格细节可知其最小单元为10.5mm，最大单元为52.5mm，节点总数为100 064个，单元总数为51 592个。

利用Simulation静应力分析分别对5种撑地状态下的底盘主体进行有限元分析，得到其应力、应变云图，其中最大应力值和最大应变值见表2。

表2 5种撑地状态的静应力分析结果

从表2中的数据可以看出，底盘主体最大应力和应变均发生在铲斗侧撑状态，最大应力为255.9MPa(图4)，最大位移为2.315mm(图5)。不过，其最大应力还是在安全范围内，最大位移相对结构尺寸也可以忽略，由此可知，底盘的设计强度和刚度是足够的。

图4 侧撑状态底盘主体应力云图

图5 侧撑状态底盘主体位移云图

3.3 底盘主体结构疲劳分析

进入Simulation模块，新建一个疲劳分析算例，底盘主体结构和材料基本属性保持不变，由材料弹性模量自动产生基于奥氏体钢的疲劳S-N曲线。添加事件，设定分析周期10 000次，底盘主体只受到对应的最大载荷，最小载荷为上车重力，因此负载类型采用基于零，即LR=0。分别添加上述的5种静应力分析算例，应力比例为1。疲劳分析得出的底盘主体结构损坏系数和生命周期见表3。

表3 5种撑地状态的疲劳分析结果

通过疲劳分析结果可以看出，在设定分析周期内最大损坏系数和最小使用周期同样都发生在铲斗侧撑状态，最大损坏系数为83.61%(图6)，最小使用周期为3.67×104次(图7)。主体内部筋板区域出现较高的损坏比例，主要是由于在回转支承连接盘的左右两侧未设计加强筋，内部筋板在交变载荷的长时间影响下最容易发生疲劳失效。可据此对筋板结构进行优化，需要注意的是，挖掘机在实际施工中侧向作业不频繁，其对底盘主体的疲劳强度影响可以忽略。由此可知，底盘主体在设计周期内的损坏系数较低，且生命周期能够满足使用寿命要求。

图6 侧撑状态底盘立体损坏系数云图

图7 侧撑状态底盘立体使用周期云图

4 结束语

本文介绍了一种作业灵活、适用工况广泛的步履式挖掘机。对整体式箱型底盘的可靠性分析证明了方案的可行性，同时指明底盘的回转支承两侧是后续设计中需要优化的关键点。本文的研究成果虽然进一步完善了步履式挖掘机底盘的研究工作，但是有限元仿真中对模型、载荷及施工工况等的简化处理会使最终得到的分析结果与实际情况存在一定的误差。因而后续工作应结合现场实验，不断修正仿真参数，尽可能实现仿真分析与实验结果的统一。

参考文献：

[1] 安国明.国内外步履式单斗液压挖掘机发展[J].工程机械与维修,2016(8)：47-50.

[2] 韩军,何绍华,陈高杰,等.一种求解步行式挖掘机底盘力学模型的工程方法[J].中国工程机械学报,2004(2)：154-156.

[3] 韩军,陈高杰,王红坚,等.步行式挖掘机底盘纵向坡度适应性分析[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2009,10(增刊1)：38-42.

[4] 邬俊奇,张云,施晓明,等.某型步履式挖掘机步行式底盘自由度分析[J].工程机械,2015(4)：39-45.

[5] 祖海英,赵伟民,韩佳轩.集装箱正面吊曲臂的有限元分析及优化[J].中国工程机械学报,2013(2)：129-132.