基于虛擬樣機(jī)技術(shù)解析地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性：建模、仿真與優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義礦產(chǎn)資源作為人類社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在全球經(jīng)濟(jì)體系中占據(jù)著關(guān)鍵地位。隨著地表淺部礦產(chǎn)資源的日益枯竭，地下深部開采逐漸成為礦業(yè)發(fā)展的主要方向。地下鏟運(yùn)機(jī)作為地下無軌采礦的核心設(shè)備，承擔(dān)著礦石的裝載、運(yùn)輸和卸載等關(guān)鍵任務(wù)，其性能的優(yōu)劣直接影響著礦山的生產(chǎn)效率、成本控制以及安全生產(chǎn)。在地下采礦作業(yè)中，地下鏟運(yùn)機(jī)需要在狹窄、復(fù)雜且充滿不確定性的環(huán)境中高效運(yùn)行，面臨著如坡度變化、路面不平整、裝載物料不均勻等多種復(fù)雜工況。這些因素不僅對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)力性能提出了極高要求，更對(duì)其穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。一旦地下鏟運(yùn)機(jī)在作業(yè)過程中出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，極有可能引發(fā)設(shè)備傾翻、碰撞等嚴(yán)重事故，不僅會(huì)造成設(shè)備的損壞和生產(chǎn)的中斷，還可能危及操作人員的生命安全，給礦山企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，深入研究地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性，對(duì)于保障礦山的安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率以及促進(jìn)礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性研究方法主要依賴于物理樣機(jī)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。物理樣機(jī)試驗(yàn)雖然能夠獲取較為真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但存在著成本高、周期長、風(fēng)險(xiǎn)大等諸多弊端。制造物理樣機(jī)需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，且試驗(yàn)過程中一旦出現(xiàn)意外情況，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至人員傷亡。同時(shí)，物理樣機(jī)試驗(yàn)受到試驗(yàn)條件和測(cè)試手段的限制，難以全面、深入地研究各種復(fù)雜工況下地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算則往往基于特定的假設(shè)和簡(jiǎn)化條件，對(duì)于復(fù)雜的實(shí)際工況適應(yīng)性較差，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性難以保證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)仿真的數(shù)字化設(shè)計(jì)與分析方法，它通過在計(jì)算機(jī)中建立產(chǎn)品的三維虛擬模型，模擬產(chǎn)品在實(shí)際工作中的各種工況，對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行全面、深入的分析和優(yōu)化。與傳統(tǒng)研究方法相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性研究，能夠在設(shè)計(jì)階段就對(duì)各種潛在的穩(wěn)定性問題進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，提前優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，有效降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和成本。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以模擬地下鏟運(yùn)機(jī)在不同坡度、不同路面條件、不同裝載工況下的運(yùn)行狀態(tài)，全面研究各種因素對(duì)其穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)。而且，虛擬樣機(jī)技術(shù)還能夠快速、方便地進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化，大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。由此可見，將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性研究中，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值，有望為地下鏟運(yùn)機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供全新的思路和方法。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀地下鏟運(yùn)機(jī)的發(fā)展歷程是一部不斷創(chuàng)新與演進(jìn)的歷史，國外在這一領(lǐng)域起步較早，取得了豐碩的成果。20世紀(jì)60年代，美國瓦格納公司成功試驗(yàn)了第一臺(tái)ST-5型鏟運(yùn)機(jī)，開啟了地下鏟運(yùn)機(jī)快速發(fā)展的序幕。在隨后的20世紀(jì)60-70年代，地下鏟運(yùn)機(jī)迎來了發(fā)展和推廣的重要時(shí)期，技術(shù)逐漸成熟，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了系列化。這一時(shí)期，雖然內(nèi)燃鏟運(yùn)機(jī)占據(jù)主導(dǎo)地位，但電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)也開始嶄露頭角，其低污染、低熱量、低噪聲等優(yōu)勢(shì)逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。到了20世紀(jì)80-90年代，隨著世界礦業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，各大采礦與工程設(shè)備制造公司通過兼并、聯(lián)合等方式優(yōu)化資源組合，地下鏟運(yùn)機(jī)也在技術(shù)上取得了重大突破。動(dòng)力機(jī)方面，電子控制技術(shù)的應(yīng)用使得柴油機(jī)的性能得到顯著提升，燃油消耗降低，廢氣排放減少，發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命延長。同時(shí)，變速箱采用電/液換擋和電子控制技術(shù)，驅(qū)動(dòng)橋配備防滑差速器、全封閉濕式多盤制動(dòng)器和光面耐切割輪胎，這些改進(jìn)大大提高了地下鏟運(yùn)機(jī)的性能和可靠性。進(jìn)入21世紀(jì)，地下鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)入成熟發(fā)展階段，技術(shù)更加先進(jìn)，功能更加完善，智能化、自動(dòng)化水平不斷提高。國內(nèi)地下鏟運(yùn)機(jī)的發(fā)展相對(duì)較晚，但近年來發(fā)展迅速。早期主要依賴進(jìn)口設(shè)備，隨著國內(nèi)礦山機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，逐漸開始自主研發(fā)和生產(chǎn)地下鏟運(yùn)機(jī)。目前，國內(nèi)已經(jīng)能夠生產(chǎn)多種型號(hào)和規(guī)格的地下鏟運(yùn)機(jī)，部分產(chǎn)品的性能已經(jīng)達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平。在技術(shù)創(chuàng)新方面，國內(nèi)企業(yè)積極引進(jìn)和吸收國外先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)與高校、科研機(jī)構(gòu)的合作，不斷提升產(chǎn)品的技術(shù)含量和競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，隨著國內(nèi)礦山開采向深部、復(fù)雜礦體發(fā)展，對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的性能和適應(yīng)性提出了更高的要求，推動(dòng)了國內(nèi)地下鏟運(yùn)機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一種先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與分析方法，在地下鏟運(yùn)機(jī)的研究和開發(fā)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。國外學(xué)者在這方面開展了大量的研究工作，取得了許多有價(jià)值的成果。他們利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的工作裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等進(jìn)行了詳細(xì)的建模和仿真分析，深入研究了各系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，還能夠?qū)Φ叵络P運(yùn)機(jī)在不同工況下的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題并進(jìn)行改進(jìn)，有效縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。國內(nèi)在虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于地下鏟運(yùn)機(jī)的研究方面也取得了一定的進(jìn)展。一些學(xué)者運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的工作裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和虛擬樣機(jī)模型，通過仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性和方法的有效性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)工作裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了工作裝置的性能和可靠性。還有研究人員對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的整機(jī)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，考慮了多種因素對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的影響，為地下鏟運(yùn)機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論支持。盡管國內(nèi)外在地下鏟運(yùn)機(jī)的研發(fā)以及虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用方面取得了顯著成果，但仍存在一些不足之處。在地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性研究方面，雖然已經(jīng)開展了大量工作，但對(duì)于復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性分析還不夠深入，特別是在考慮多種因素耦合作用時(shí)，現(xiàn)有研究方法的準(zhǔn)確性和可靠性有待進(jìn)一步提高。而且，虛擬樣機(jī)模型的精度和可靠性也需要進(jìn)一步驗(yàn)證和提升，部分模型在模擬實(shí)際工況時(shí)還存在一定的偏差。在實(shí)際應(yīng)用中，虛擬樣機(jī)技術(shù)與實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)合還不夠緊密，如何將虛擬樣機(jī)的分析結(jié)果更好地應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和優(yōu)化，仍然是需要解決的問題。1.3研究內(nèi)容與方法本研究旨在運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)深入剖析地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性，具體研究內(nèi)容如下：地下鏟運(yùn)機(jī)虛擬樣機(jī)模型的建立：全面收集地下鏟運(yùn)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、物理特性以及各部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系等詳細(xì)資料。運(yùn)用先進(jìn)的三維建模軟件，如SolidWorks、Pro/E等，精確構(gòu)建地下鏟運(yùn)機(jī)的三維實(shí)體模型，涵蓋工作裝置、車架、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等關(guān)鍵部件。在建模過程中，充分考慮各部件的實(shí)際形狀、尺寸以及裝配關(guān)系，確保模型的幾何準(zhǔn)確性。完成三維建模后，將模型導(dǎo)入專業(yè)的多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，如ADAMS，依據(jù)實(shí)際物理特性為各部件賦予質(zhì)量、慣性矩等參數(shù)，并定義部件之間的約束關(guān)系和運(yùn)動(dòng)副，如鉸接副、移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副等，構(gòu)建出完整且精確的地下鏟運(yùn)機(jī)虛擬樣機(jī)模型。不同工況下的穩(wěn)定性仿真分析：基于所建立的虛擬樣機(jī)模型，深入研究地下鏟運(yùn)機(jī)在多種典型工況下的穩(wěn)定性表現(xiàn)。在爬坡工況中，設(shè)置不同的坡度，如5°、10°、15°等，模擬地下鏟運(yùn)機(jī)在向上爬坡和向下行駛過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析其重心變化、輪胎受力分布以及整機(jī)的傾翻力矩，探究坡度對(duì)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。針對(duì)轉(zhuǎn)彎工況，考慮不同的轉(zhuǎn)彎半徑和行駛速度，如轉(zhuǎn)彎半徑為5m、8m、10m，行駛速度為3m/s、5m/s、7m/s等，研究轉(zhuǎn)向過程中離心力的作用下，地下鏟運(yùn)機(jī)的側(cè)傾穩(wěn)定性，分析側(cè)傾角度、側(cè)傾力以及輪胎的側(cè)向力，明確轉(zhuǎn)彎半徑和速度與穩(wěn)定性之間的關(guān)系。在裝載工況方面，模擬不同的裝載重量和裝載位置，如裝載重量為額定載重的80%、100%、120%，裝載位置分別位于鏟斗的前端、中部、后端，研究裝載情況對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)前后軸載荷分配、重心高度以及穩(wěn)定性的影響。通過這些仿真分析，全面揭示不同工況下地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性變化規(guī)律，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支持。關(guān)鍵參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響研究：選取對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性具有重要影響的關(guān)鍵參數(shù)，如軸距、輪距、重心高度等，運(yùn)用參數(shù)化分析方法，深入研究這些參數(shù)的變化對(duì)穩(wěn)定性的影響機(jī)制。在研究軸距對(duì)穩(wěn)定性的影響時(shí)，逐步改變軸距的長度，如在一定范圍內(nèi)增加或減少軸距的10%、20%等，通過仿真分析觀察地下鏟運(yùn)機(jī)在不同工況下的穩(wěn)定性變化，包括傾翻力矩、側(cè)傾角度等指標(biāo)的變化情況，確定軸距的合理取值范圍。對(duì)于輪距參數(shù)，同樣進(jìn)行不同取值的仿真分析，研究輪距變化對(duì)輪胎受力分布、抗側(cè)傾能力的影響，找到輪距與穩(wěn)定性之間的最佳匹配關(guān)系。針對(duì)重心高度，通過改變裝載方式、調(diào)整配重等手段，改變地下鏟運(yùn)機(jī)的重心高度，分析重心高度變化對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的影響，明確降低重心高度以提高穩(wěn)定性的有效措施。通過對(duì)這些關(guān)鍵參數(shù)的系統(tǒng)研究，為地下鏟運(yùn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)的參數(shù)選擇依據(jù)。穩(wěn)定性優(yōu)化策略的提出：依據(jù)虛擬樣機(jī)仿真分析的結(jié)果以及關(guān)鍵參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響研究，提出針對(duì)性強(qiáng)、切實(shí)可行的地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性優(yōu)化策略。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，通過優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)，如增加加強(qiáng)筋、改進(jìn)車架的截面形狀等方式，提高車架的剛度和強(qiáng)度，減少在復(fù)雜工況下的變形，從而提升整機(jī)的穩(wěn)定性。在工作裝置方面，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)方式，如調(diào)整鏟斗的形狀和尺寸，使其在裝載和卸載過程中更加平穩(wěn)，減少對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的干擾。通過合理調(diào)整配重，優(yōu)化地下鏟運(yùn)機(jī)的重心分布，降低重心高度，提高抗傾翻能力。在控制策略方面，引入先進(jìn)的智能控制算法，如自適應(yīng)控制、模糊控制等，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)行駛速度、轉(zhuǎn)向角度等參數(shù)的精準(zhǔn)控制，使其在不同工況下都能保持良好的穩(wěn)定性。例如，在爬坡時(shí)，根據(jù)坡度的變化自動(dòng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和行駛速度，確保車輛平穩(wěn)行駛；在轉(zhuǎn)彎時(shí)，根據(jù)車速和轉(zhuǎn)彎半徑自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)向助力，防止側(cè)翻事故的發(fā)生。在研究方法上，主要采用以下手段：虛擬樣機(jī)技術(shù)：通過構(gòu)建虛擬樣機(jī)模型，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中模擬地下鏟運(yùn)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，獲取豐富的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，全面深入地分析其穩(wěn)定性。虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠突破物理樣機(jī)試驗(yàn)的諸多限制，如成本高、周期長、風(fēng)險(xiǎn)大等，為研究提供高效、便捷的分析平臺(tái)。多體動(dòng)力學(xué)理論：運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)各部件之間的相互作用、力的傳遞以及運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行精確描述和分析，建立準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型，為穩(wěn)定性仿真分析提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬方法：利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同工況下地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和模擬分析，快速、準(zhǔn)確地獲取各種性能參數(shù)和響應(yīng)數(shù)據(jù)，直觀地展示地下鏟運(yùn)機(jī)在不同工況下的穩(wěn)定性變化情況。試驗(yàn)驗(yàn)證：在虛擬樣機(jī)研究的基礎(chǔ)上，開展物理樣機(jī)試驗(yàn)，對(duì)虛擬樣機(jī)仿真分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)比。通過實(shí)際測(cè)量地下鏟運(yùn)機(jī)在各種工況下的穩(wěn)定性參數(shù)，如輪胎受力、重心變化、傾翻角度等，與虛擬樣機(jī)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估虛擬樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行必要的修正和完善，進(jìn)一步提高其精度和可信度，確保研究結(jié)果的科學(xué)性和實(shí)用性。二、虛擬樣機(jī)技術(shù)與地下鏟運(yùn)機(jī)概述2.1虛擬樣機(jī)技術(shù)原理與特點(diǎn)2.1.1技術(shù)原理虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門融合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、有限元分析、控制理論等多學(xué)科知識(shí)的綜合性技術(shù)。其核心在于通過計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字化模型，該模型并非簡(jiǎn)單的幾何模型，而是高度逼真地反映產(chǎn)品物理特性、運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及性能參數(shù)的虛擬實(shí)體。在構(gòu)建虛擬樣機(jī)模型時(shí)，首先需要運(yùn)用先進(jìn)的三維建模軟件，如SolidWorks、Pro/E等，依據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖紙和詳細(xì)技術(shù)參數(shù)，精確創(chuàng)建產(chǎn)品各部件的三維幾何模型。這些模型不僅準(zhǔn)確呈現(xiàn)了部件的形狀、尺寸，還清晰界定了各部件之間的裝配關(guān)系。以地下鏟運(yùn)機(jī)為例，在建模過程中，需精細(xì)構(gòu)建工作裝置、車架、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的三維模型，并確保各部件模型之間的裝配精度與實(shí)際產(chǎn)品一致，為后續(xù)的動(dòng)力學(xué)分析奠定堅(jiān)實(shí)的幾何基礎(chǔ)。完成三維幾何模型構(gòu)建后，借助多體動(dòng)力學(xué)軟件，如ADAMS，依據(jù)實(shí)際物理特性為各部件賦予準(zhǔn)確的質(zhì)量、慣性矩等物理參數(shù)。這些參數(shù)的準(zhǔn)確賦值對(duì)于模擬產(chǎn)品在真實(shí)工況下的動(dòng)力學(xué)行為至關(guān)重要。同時(shí)，還需在軟件中定義部件之間的約束關(guān)系和運(yùn)動(dòng)副，如鉸接副、移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副等，以精確描述各部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。對(duì)于地下鏟運(yùn)機(jī)的工作裝置，需準(zhǔn)確定義舉升油缸與動(dòng)臂之間的鉸接副，以及轉(zhuǎn)斗油缸與鏟斗之間的鉸接副，確保工作裝置在運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)力學(xué)行為能夠得到準(zhǔn)確模擬。在模擬過程中，虛擬樣機(jī)技術(shù)會(huì)依據(jù)所建立的模型和設(shè)定的工況條件，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)理論和數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行全面、深入的分析。通過求解動(dòng)力學(xué)方程，獲取產(chǎn)品在不同時(shí)刻的位置、速度、加速度、受力等關(guān)鍵參數(shù)，從而模擬產(chǎn)品在實(shí)際工作中的各種動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在模擬地下鏟運(yùn)機(jī)的爬坡工況時(shí)，軟件會(huì)根據(jù)設(shè)定的坡度、行駛速度等條件，計(jì)算地下鏟運(yùn)機(jī)在爬坡過程中的重心變化、輪胎受力分布以及整機(jī)的傾翻力矩，為評(píng)估其穩(wěn)定性提供數(shù)據(jù)支持。2.1.2技術(shù)特點(diǎn)虛擬樣機(jī)技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)過程中展現(xiàn)出諸多顯著特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使其成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中不可或缺的工具。高效性：虛擬樣機(jī)技術(shù)極大地提高了產(chǎn)品研發(fā)的效率。傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)流程通常需要經(jīng)過多次物理樣機(jī)的制造和試驗(yàn)，而每一次物理樣機(jī)的制造都需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，從設(shè)計(jì)圖紙到實(shí)際制造，再到試驗(yàn)測(cè)試，整個(gè)過程周期漫長。而虛擬樣機(jī)技術(shù)則打破了這種傳統(tǒng)模式，工程師們可以在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中快速構(gòu)建產(chǎn)品模型，并對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行并行計(jì)算和分析。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，在地下鏟運(yùn)機(jī)的設(shè)計(jì)階段，工程師只需在計(jì)算機(jī)上輸入不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計(jì)方案，就能夠迅速得到相應(yīng)的性能仿真結(jié)果。這使得他們可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)多種設(shè)計(jì)思路進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，快速篩選出最佳方案，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了研發(fā)效率。低成本：虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠顯著降低產(chǎn)品研發(fā)成本。制造物理樣機(jī)需要投入大量的資金用于原材料采購、加工制造、設(shè)備調(diào)試等環(huán)節(jié)，而且在試驗(yàn)過程中，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題需要對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行修改，往往需要重新制造樣機(jī)，這無疑會(huì)進(jìn)一步增加成本。而虛擬樣機(jī)技術(shù)通過在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真分析，無需制造物理樣機(jī)，從而避免了物理樣機(jī)制造和試驗(yàn)過程中的高昂費(fèi)用。即使需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，也只需在計(jì)算機(jī)上對(duì)虛擬模型進(jìn)行調(diào)整，重新運(yùn)行仿真即可，成本幾乎可以忽略不計(jì)。以地下鏟運(yùn)機(jī)的研發(fā)為例，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，企業(yè)可以節(jié)省大量的物理樣機(jī)制造和試驗(yàn)費(fèi)用，將這些資金投入到更關(guān)鍵的技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新中，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。安全性：在一些高風(fēng)險(xiǎn)、高成本的產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域，如航空航天、汽車安全等，物理樣機(jī)試驗(yàn)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。一旦試驗(yàn)過程中出現(xiàn)意外情況，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。虛擬樣機(jī)技術(shù)則為這些領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)提供了一個(gè)安全可靠的解決方案。通過在虛擬環(huán)境中進(jìn)行各種極端工況的模擬試驗(yàn)，如地下鏟運(yùn)機(jī)在極限坡度下的穩(wěn)定性測(cè)試、汽車在高速碰撞下的安全性能分析等，可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，避免在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)生危險(xiǎn)，保障人員和設(shè)備的安全。協(xié)同性：虛擬樣機(jī)技術(shù)為跨部門、跨企業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)提供了有力支持。在現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)過程中，涉及到多個(gè)部門和專業(yè)領(lǐng)域的協(xié)同工作，如設(shè)計(jì)、工程、制造、測(cè)試等。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往存在信息傳遞不暢、溝通成本高、協(xié)同效率低等問題，容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案的不一致和誤解。而虛擬樣機(jī)技術(shù)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，使得不同部門的人員可以實(shí)時(shí)共享和交流設(shè)計(jì)信息，共同參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中。在地下鏟運(yùn)機(jī)的研發(fā)項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)部門可以通過虛擬樣機(jī)模型向制造部門展示產(chǎn)品的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和裝配要求，制造部門可以根據(jù)實(shí)際制造工藝提出反饋意見，工程部門則可以對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行分析和評(píng)估，各部門之間實(shí)現(xiàn)了高效的協(xié)同工作，提高了產(chǎn)品研發(fā)的質(zhì)量和效率?？梢暬禾摂M樣機(jī)技術(shù)具有直觀的可視化特點(diǎn)。通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，將產(chǎn)品的虛擬模型以三維立體的形式展示出來，工程師可以從不同角度、不同層次觀察產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直觀地了解產(chǎn)品在各種工況下的工作情況。在地下鏟運(yùn)機(jī)的虛擬樣機(jī)模型中，工程師可以清晰地看到工作裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡、各部件之間的相互作用以及整機(jī)的穩(wěn)定性變化，這種可視化的展示方式有助于工程師更好地理解產(chǎn)品的性能和問題，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更直觀的依據(jù)。而且，可視化的虛擬樣機(jī)模型還可以用于向非技術(shù)人員展示產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念和功能特點(diǎn)，促進(jìn)不同領(lǐng)域人員之間的溝通和交流。2.2地下鏟運(yùn)機(jī)工作原理與結(jié)構(gòu)2.2.1工作原理地下鏟運(yùn)機(jī)的工作過程是一個(gè)高度協(xié)同的系統(tǒng)工程，涉及多個(gè)部件的緊密配合，其核心在于實(shí)現(xiàn)礦石的高效鏟裝、安全運(yùn)輸以及精準(zhǔn)卸載。在鏟裝作業(yè)階段，首先，操作人員將地下鏟運(yùn)機(jī)駕駛至礦石堆積區(qū)域，此時(shí)動(dòng)臂下放，使鏟斗平穩(wěn)放置于地面，斗尖觸地，斗底與地面呈30-50°傾角。這種特定的角度設(shè)置能夠確保鏟斗在插入料堆時(shí)，既具備足夠的切入深度，又能保證鏟斗在插入過程中保持穩(wěn)定，避免因角度不當(dāng)而導(dǎo)致鏟斗打滑或損壞。開動(dòng)地下鏟運(yùn)機(jī)，鏟斗借助機(jī)器強(qiáng)大的牽引力插入料堆。在這個(gè)過程中，地下鏟運(yùn)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)提供持續(xù)而穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力，通過傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞至車輪，使車輪產(chǎn)生與地面的摩擦力，從而推動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)前進(jìn)，帶動(dòng)鏟斗切入礦石堆。鏟斗插入料堆后，轉(zhuǎn)斗油缸開始工作，轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗鏟取物料。轉(zhuǎn)斗油缸通過液壓系統(tǒng)的控制，精確調(diào)節(jié)輸出的力和行程，使鏟斗能夠根據(jù)礦石的硬度、堆積狀態(tài)等因素，靈活調(diào)整鏟取角度和力度，確保鏟斗能夠充分裝滿物料，直至鏟斗口翻至近似水平位置，完成鏟裝作業(yè)。當(dāng)鏟斗裝滿礦石后，地下鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)入運(yùn)輸階段。此時(shí)，舉升油缸將動(dòng)臂抬起，使鏟斗提升至一定高度，以避免在行駛過程中鏟斗與地面障礙物碰撞。同時(shí)，地下鏟運(yùn)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)切換至行駛模式，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過變速箱的變速和變矩，通過傳動(dòng)軸傳遞至驅(qū)動(dòng)橋，驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使地下鏟運(yùn)機(jī)能夠在地下礦山復(fù)雜的巷道中安全、穩(wěn)定地行駛。在運(yùn)輸過程中，操作人員需要密切關(guān)注地下鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)巷道的坡度、彎道半徑、路面狀況等因素，合理調(diào)整行駛速度和轉(zhuǎn)向角度，確保運(yùn)輸過程的安全和高效。到達(dá)卸載地點(diǎn)后，地下鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)入卸載作業(yè)階段。轉(zhuǎn)斗油缸再次工作，使鏟斗翻轉(zhuǎn)，將物料卸載至指定位置，如溜井料倉或運(yùn)輸車輛。在卸載過程中，轉(zhuǎn)斗油缸精確控制鏟斗的翻轉(zhuǎn)角度和速度，確保物料能夠準(zhǔn)確、快速地卸載，同時(shí)避免物料灑落造成浪費(fèi)和環(huán)境污染。卸載完成后，動(dòng)臂下放，使鏟斗恢復(fù)至運(yùn)輸位置，為下一次鏟裝作業(yè)做好準(zhǔn)備。整個(gè)工作過程中，地下鏟運(yùn)機(jī)的液壓系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)相互協(xié)作，共同完成了礦石的鏟裝、運(yùn)輸和卸載任務(wù)，確保了地下采礦作業(yè)的高效進(jìn)行。2.2.2結(jié)構(gòu)組成地下鏟運(yùn)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜而精密的機(jī)械設(shè)備，其結(jié)構(gòu)由多個(gè)關(guān)鍵部分組成，每個(gè)部分都在其工作過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)：發(fā)動(dòng)機(jī)作為地下鏟運(yùn)機(jī)的動(dòng)力核心，為整機(jī)提供源源不斷的動(dòng)力支持。目前，地下鏟運(yùn)機(jī)常用的發(fā)動(dòng)機(jī)類型主要包括柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)。柴油機(jī)具有功率密度大、扭矩輸出高、適應(yīng)復(fù)雜工況能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠在地下礦山惡劣的環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行，為鏟運(yùn)機(jī)的鏟裝、運(yùn)輸和卸載等作業(yè)提供強(qiáng)大的動(dòng)力?？ㄌ乇死?、康明斯等知名品牌的柴油機(jī)在地下鏟運(yùn)機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。電動(dòng)機(jī)則具有低污染、低噪聲、高效率等優(yōu)勢(shì)，特別是在對(duì)環(huán)保要求較高的地下礦山，電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)的應(yīng)用越來越受到關(guān)注。電動(dòng)機(jī)通過電纜從外部電源獲取電能，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行。無論是柴油機(jī)還是電動(dòng)機(jī)，都配備了先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)的工作狀態(tài)和負(fù)載需求，精確調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能運(yùn)行。底盤：底盤是地下鏟運(yùn)機(jī)的基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，承載著發(fā)動(dòng)機(jī)、工作裝置、駕駛室等其他部件的重量，并保證鏟運(yùn)機(jī)在各種復(fù)雜工況下的行駛穩(wěn)定性和通過性。底盤主要由車架、車橋、懸掛系統(tǒng)、輪胎等部分組成。車架作為底盤的主體結(jié)構(gòu)，通常采用高強(qiáng)度鋼材焊接而成，具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠承受鏟運(yùn)機(jī)在工作過程中產(chǎn)生的各種力和扭矩。車橋分為前橋和后橋，負(fù)責(zé)傳遞動(dòng)力和支撐車身重量。懸掛系統(tǒng)則連接車架和車橋，起到緩沖和減震的作用，減少路面不平對(duì)鏟運(yùn)機(jī)的影響，提高行駛的舒適性和穩(wěn)定性。地下鏟運(yùn)機(jī)通常采用大直徑、寬斷面的耐切割工程輪胎，這種輪胎具有較高的承載能力、良好的耐磨性和抗刺扎性能，能夠適應(yīng)地下礦山崎嶇不平的路面條件。工作裝置：工作裝置是地下鏟運(yùn)機(jī)直接完成鏟裝、卸載作業(yè)的關(guān)鍵部件，主要包括鏟斗、動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油缸等。鏟斗是直接與物料接觸的部分，其形狀和尺寸根據(jù)不同的作業(yè)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常采用高強(qiáng)度耐磨材料制造，以提高其使用壽命。動(dòng)臂是連接鏟斗和車架的部件，通過舉升油缸的作用實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，從而控制鏟斗的升降高度。轉(zhuǎn)斗油缸則安裝在動(dòng)臂和鏟斗之間，通過伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鏟斗的翻轉(zhuǎn)，完成鏟裝和卸載作業(yè)。舉升油缸和轉(zhuǎn)斗油缸均采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有響應(yīng)速度快、控制精度高、輸出力大等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足地下鏟運(yùn)機(jī)在復(fù)雜工況下的作業(yè)要求。傳動(dòng)系統(tǒng)：傳動(dòng)系統(tǒng)的主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞至驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)的行駛和作業(yè)。傳動(dòng)系統(tǒng)通常由離合器、變速箱、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋等部件組成。離合器用于連接或斷開發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間的動(dòng)力傳遞，便于鏟運(yùn)機(jī)的啟動(dòng)、換擋和停車操作。變速箱通過不同的齒輪組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩的調(diào)節(jié)，以滿足鏟運(yùn)機(jī)在不同工況下的行駛和作業(yè)需求。傳動(dòng)軸將變速箱輸出的動(dòng)力傳遞至驅(qū)動(dòng)橋，驅(qū)動(dòng)橋則進(jìn)一步將動(dòng)力分配至左右車輪，使車輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)前進(jìn)或后退?，F(xiàn)代地下鏟運(yùn)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)越來越多地采用先進(jìn)的液力機(jī)械傳動(dòng)或靜壓傳動(dòng)技術(shù)，這些技術(shù)具有傳動(dòng)效率高、換擋平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著提高鏟運(yùn)機(jī)的性能和工作效率。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制地下鏟運(yùn)機(jī)的行駛方向，確保其能夠在狹窄、彎曲的地下巷道中靈活行駛。常見的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型包括鉸接式轉(zhuǎn)向和偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向。鉸接式轉(zhuǎn)向是通過車架前后兩部分之間的鉸接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，具有轉(zhuǎn)向半徑小、靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地下鏟運(yùn)機(jī)。在鉸接式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向油缸通過液壓控制，推動(dòng)車架前后部分繞鉸接點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)的轉(zhuǎn)向。偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向則是通過控制車輪的偏轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這種轉(zhuǎn)向方式適用于一些小型地下鏟運(yùn)機(jī)或?qū)D(zhuǎn)向精度要求較高的場(chǎng)合。無論是哪種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，都配備了先進(jìn)的助力裝置，如液壓助力或電子助力，以減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高轉(zhuǎn)向的輕便性和準(zhǔn)確性。制動(dòng)系統(tǒng)：制動(dòng)系統(tǒng)是保障地下鏟運(yùn)機(jī)安全運(yùn)行的重要組成部分，用于控制鏟運(yùn)機(jī)的行駛速度和停車。制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)器、制動(dòng)管路、制動(dòng)助力裝置等部件組成。制動(dòng)器通常采用濕式多盤制動(dòng)器，這種制動(dòng)器具有制動(dòng)平穩(wěn)、制動(dòng)力大、散熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，能夠在地下鏟運(yùn)機(jī)重載、高速行駛等工況下可靠地工作。制動(dòng)管路負(fù)責(zé)將制動(dòng)壓力傳遞至制動(dòng)器，使制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)力。制動(dòng)助力裝置則利用液壓或氣壓等輔助動(dòng)力，增強(qiáng)制動(dòng)力，提高制動(dòng)效果。為了確保安全，地下鏟運(yùn)機(jī)通常還配備了緊急制動(dòng)系統(tǒng)和停車制動(dòng)系統(tǒng)，在正常制動(dòng)系統(tǒng)失效時(shí)，能夠及時(shí)采取制動(dòng)措施，防止事故發(fā)生。電氣系統(tǒng)：電氣系統(tǒng)是地下鏟運(yùn)機(jī)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)控制和監(jiān)測(cè)各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，為鏟運(yùn)機(jī)的正常工作提供保障。電氣系統(tǒng)主要包括蓄電池、發(fā)電機(jī)、控制器、傳感器、儀表等部件。蓄電池作為電氣系統(tǒng)的電源，為啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、照明、信號(hào)等設(shè)備提供電能。發(fā)電機(jī)則在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為蓄電池充電并為其他電氣設(shè)備供電。控制器是電氣系統(tǒng)的核心部件，通過接收傳感器傳來的各種信號(hào)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行。傳感器用于監(jiān)測(cè)鏟運(yùn)機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油溫、油壓、車速、轉(zhuǎn)向角度等，并將這些參數(shù)傳輸給控制器，為控制器的決策提供依據(jù)。儀表則用于顯示鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，方便操作人員實(shí)時(shí)了解鏟運(yùn)機(jī)的工作情況。2.3地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的影響因素地下鏟運(yùn)機(jī)在地下礦山復(fù)雜工況下作業(yè)時(shí)，其穩(wěn)定性受到多種因素的綜合影響。深入剖析這些影響因素，對(duì)于保障地下鏟運(yùn)機(jī)的安全、高效運(yùn)行以及提升其作業(yè)性能具有至關(guān)重要的意義。重心位置：重心作為物體重力的等效作用點(diǎn)，其位置對(duì)于地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性起著決定性作用。當(dāng)鏟運(yùn)機(jī)在不同工況下作業(yè)時(shí)，重心的變化會(huì)直接影響其抗傾翻能力和行駛穩(wěn)定性。在裝載作業(yè)中，若鏟斗裝載物料不均勻，導(dǎo)致重心偏向一側(cè)，那么在轉(zhuǎn)彎或爬坡時(shí)，鏟運(yùn)機(jī)就容易因重心偏移而發(fā)生側(cè)翻或失穩(wěn)現(xiàn)象。當(dāng)重心高度增加時(shí)，鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性會(huì)顯著下降。這是因?yàn)橹匦脑礁?，在受到外力作用時(shí)，產(chǎn)生的傾翻力矩就越大，使得鏟運(yùn)機(jī)更容易失去平衡。以某型號(hào)地下鏟運(yùn)機(jī)為例，在滿載工況下，若重心高度從初始的1.2m增加到1.5m，其在10°坡度上行駛時(shí)的傾翻臨界速度將從15km/h降低至10km/h，穩(wěn)定性明顯變差。為了確保地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性，需要在設(shè)計(jì)階段通過合理的結(jié)構(gòu)布局和配重設(shè)計(jì)，使重心盡可能低且位于機(jī)體的幾何中心附近。在實(shí)際作業(yè)中，操作人員也應(yīng)注意保持裝載物料的均勻分布，避免因重心偏移而引發(fā)安全事故。輪胎特性：輪胎作為地下鏟運(yùn)機(jī)與地面接觸的唯一部件，其特性對(duì)穩(wěn)定性有著直接而重要的影響。輪胎的承載能力是保證鏟運(yùn)機(jī)正常作業(yè)的基礎(chǔ)。如果輪胎的承載能力不足，在滿載或超載工況下，輪胎容易發(fā)生變形甚至爆胎，從而導(dǎo)致鏟運(yùn)機(jī)失去穩(wěn)定性。不同類型的輪胎具有不同的花紋和橡膠材質(zhì)，這些因素會(huì)影響輪胎與地面之間的摩擦力。在地下礦山潮濕、泥濘的路面條件下，具有良好防滑性能的輪胎能夠提供更大的摩擦力，有效防止鏟運(yùn)機(jī)打滑，提高行駛穩(wěn)定性。輪胎的氣壓也對(duì)穩(wěn)定性有影響。氣壓過高或過低都會(huì)改變輪胎的接地面積和彈性，進(jìn)而影響輪胎的抓地力和緩沖性能。氣壓過高，輪胎接地面積減小，抓地力下降，容易導(dǎo)致鏟運(yùn)機(jī)在行駛過程中出現(xiàn)顛簸和失控；氣壓過低，輪胎變形增大，滾動(dòng)阻力增加，不僅會(huì)降低鏟運(yùn)機(jī)的行駛速度和效率，還可能引發(fā)輪胎過熱、爆胎等問題，危及鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。因此，在選擇和使用輪胎時(shí)，應(yīng)根據(jù)地下鏟運(yùn)機(jī)的工作條件和負(fù)荷要求，合理選擇輪胎的型號(hào)、規(guī)格和氣壓，確保輪胎能夠滿足鏟運(yùn)機(jī)在各種工況下的穩(wěn)定性需求。行駛路面狀況：地下礦山的行駛路面狀況復(fù)雜多變，這對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。路面的坡度是影響鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的重要因素之一。在爬坡工況下，隨著坡度的增加，鏟運(yùn)機(jī)的重心會(huì)向前移動(dòng)，前軸負(fù)荷增大，后軸負(fù)荷減小。當(dāng)坡度超過一定值時(shí)，后軸輪胎的附著力可能不足以提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致鏟運(yùn)機(jī)打滑甚至后溜。在15°的坡度上，某地下鏟運(yùn)機(jī)的后軸輪胎附著力系數(shù)需達(dá)到0.3以上才能保證正常行駛，若附著力系數(shù)低于0.3，鏟運(yùn)機(jī)就會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。下坡時(shí)，由于重力的作用，鏟運(yùn)機(jī)的重心向后移動(dòng)，前軸負(fù)荷減小，后軸負(fù)荷增大，容易導(dǎo)致制動(dòng)困難和車輛失控。路面的平整度也會(huì)對(duì)鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。崎嶇不平的路面會(huì)使鏟運(yùn)機(jī)在行駛過程中產(chǎn)生顛簸和振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì)傳遞到機(jī)體上，影響各部件的正常工作，甚至導(dǎo)致連接部件松動(dòng)、損壞。振動(dòng)還會(huì)改變鏟運(yùn)機(jī)的重心位置和輪胎的受力分布，降低其穩(wěn)定性。在積水、泥濘的路面上，輪胎與地面之間的摩擦力會(huì)顯著減小，增加了鏟運(yùn)機(jī)打滑和側(cè)滑的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在地下礦山作業(yè)中，應(yīng)根據(jù)路面狀況合理調(diào)整鏟運(yùn)機(jī)的行駛速度和操作方式，必要時(shí)采取防滑措施，如安裝防滑鏈、鋪設(shè)防滑墊等，以確保鏟運(yùn)機(jī)的行駛穩(wěn)定性。工作裝置的運(yùn)動(dòng)：地下鏟運(yùn)機(jī)的工作裝置在作業(yè)過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)其穩(wěn)定性有著不可忽視的影響。在鏟裝作業(yè)時(shí)，鏟斗插入料堆的深度和速度會(huì)影響鏟運(yùn)機(jī)的受力情況。如果鏟斗插入過深或速度過快，會(huì)使鏟運(yùn)機(jī)受到較大的阻力，導(dǎo)致機(jī)體前傾，影響穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸的動(dòng)作協(xié)調(diào)性也至關(guān)重要。若兩者動(dòng)作不協(xié)調(diào)，可能會(huì)導(dǎo)致鏟斗在提升或翻轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)晃動(dòng)，從而影響鏟運(yùn)機(jī)的平衡。在卸載作業(yè)時(shí)，鏟斗的卸載速度和角度如果控制不當(dāng)，會(huì)使物料卸載不均勻，產(chǎn)生偏載現(xiàn)象，進(jìn)而影響鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性。因此，需要通過優(yōu)化工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略，提高其運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和協(xié)調(diào)性，減少對(duì)鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的不利影響。在工作裝置的液壓控制系統(tǒng)中，可以采用先進(jìn)的比例控制技術(shù)和傳感器反饋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸動(dòng)作的精確控制，確保工作裝置在作業(yè)過程中能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。行駛速度與轉(zhuǎn)向：行駛速度和轉(zhuǎn)向操作是影響地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的關(guān)鍵動(dòng)態(tài)因素。當(dāng)鏟運(yùn)機(jī)以較高速度行駛時(shí)，其慣性增大，在遇到緊急情況需要制動(dòng)或轉(zhuǎn)向時(shí)，由于慣性的作用，鏟運(yùn)機(jī)難以迅速改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，容易發(fā)生側(cè)翻或失控。在高速行駛時(shí)，路面的微小不平或側(cè)向風(fēng)力都可能對(duì)鏟運(yùn)機(jī)產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)一步增加了不穩(wěn)定因素。在轉(zhuǎn)彎過程中，鏟運(yùn)機(jī)受到離心力的作用。離心力的大小與行駛速度的平方成正比，與轉(zhuǎn)彎半徑成反比。因此，當(dāng)行駛速度過快或轉(zhuǎn)彎半徑過小時(shí)，離心力會(huì)急劇增大，超過輪胎的側(cè)向附著力，導(dǎo)致鏟運(yùn)機(jī)發(fā)生側(cè)滑或側(cè)翻。在轉(zhuǎn)彎半徑為5m的彎道上，若鏟運(yùn)機(jī)的行駛速度從10km/h提高到15km/h，離心力將增加1.25倍，大大增加了側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。為了確保鏟運(yùn)機(jī)的行駛穩(wěn)定性，操作人員應(yīng)嚴(yán)格控制行駛速度，特別是在轉(zhuǎn)彎、爬坡、下坡等特殊工況下，要根據(jù)實(shí)際情況合理減速。在轉(zhuǎn)向操作時(shí)，應(yīng)避免急轉(zhuǎn)向，盡量保持轉(zhuǎn)向的平穩(wěn)性，合理控制轉(zhuǎn)向角度和速度，確保鏟運(yùn)機(jī)在轉(zhuǎn)向過程中能夠保持良好的穩(wěn)定性。三、地下鏟運(yùn)機(jī)虛擬樣機(jī)模型的建立3.1基于CAD軟件的三維模型構(gòu)建本研究選取某型號(hào)地下鏟運(yùn)機(jī)作為研究對(duì)象，該型號(hào)地下鏟運(yùn)機(jī)在地下礦山開采中應(yīng)用廣泛，具有典型的結(jié)構(gòu)和工作特性。其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定載重量為5t，鏟斗容積為3m3，整機(jī)質(zhì)量為18t，最大卸載高度為1.2m，最大行駛速度為20km/h。在構(gòu)建三維模型時(shí)，選用功能強(qiáng)大的SolidWorks軟件，它以其直觀的操作界面、豐富的特征建模工具以及出色的裝配功能，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，能夠滿足地下鏟運(yùn)機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模的需求。在建模之前，需要全面、細(xì)致地收集該型號(hào)地下鏟運(yùn)機(jī)的各類資料。通過實(shí)地測(cè)量，獲取鏟運(yùn)機(jī)各部件的精確尺寸數(shù)據(jù)，確保模型在幾何形狀上與實(shí)際產(chǎn)品高度一致。研究其裝配圖紙，深入了解各部件之間的連接方式和裝配關(guān)系，為后續(xù)的虛擬裝配奠定基礎(chǔ)。查閱相關(guān)技術(shù)文檔，掌握鏟運(yùn)機(jī)的工作原理、運(yùn)動(dòng)特性以及性能參數(shù)等信息，為模型的動(dòng)力學(xué)分析提供數(shù)據(jù)支持。在SolidWorks軟件中，建模過程按照從零件到裝配體的順序逐步進(jìn)行。以車架建模為例，車架作為地下鏟運(yùn)機(jī)的關(guān)鍵承載部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)強(qiáng)度和剛度要求極高。首先，利用SolidWorks的草圖繪制功能，依據(jù)實(shí)際測(cè)量的尺寸數(shù)據(jù)，繪制車架的二維草圖。在繪制過程中，嚴(yán)格遵循尺寸公差要求，確保草圖的準(zhǔn)確性。通過拉伸、切除、打孔等特征操作，將二維草圖轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型。在車架的關(guān)鍵部位，如連接點(diǎn)、受力集中區(qū)域，添加加強(qiáng)筋和圓角過渡，以提高車架的強(qiáng)度和抗疲勞性能。對(duì)于一些復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)，運(yùn)用曲面建模工具進(jìn)行構(gòu)建，再通過曲面縫合等操作，使其與實(shí)體模型完美融合。完成車架零件建模后，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量屬性分析，包括質(zhì)量、慣性矩等參數(shù)的計(jì)算，確保模型的物理屬性與實(shí)際車架相符。工作裝置的建模同樣復(fù)雜且關(guān)鍵，它直接參與礦石的鏟裝和卸載作業(yè)。鏟斗作為工作裝置的核心部件，其形狀和尺寸對(duì)作業(yè)效率和性能有著重要影響。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際使用情況，利用SolidWorks的放樣、掃描等特征工具，精確構(gòu)建鏟斗的三維模型。在鏟斗的刃口部位，采用加厚處理和特殊的材料設(shè)置，以提高其耐磨性和抗沖擊能力。動(dòng)臂和轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油缸的建模則依據(jù)其機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通過創(chuàng)建圓柱體、活塞桿等基本幾何體，并運(yùn)用布爾運(yùn)算進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)精確建模。在建模過程中，充分考慮各部件之間的配合精度和運(yùn)動(dòng)間隙，確保工作裝置在運(yùn)動(dòng)過程中能夠順暢、穩(wěn)定地運(yùn)行。完成各零件建模后，進(jìn)入裝配體建模階段。在SolidWorks的裝配環(huán)境中，按照實(shí)際裝配順序和連接方式，將各個(gè)零件逐一導(dǎo)入并進(jìn)行虛擬裝配。利用配合關(guān)系工具，如重合、同軸心、平行等，精確確定各零件之間的相對(duì)位置和方向。對(duì)于一些可動(dòng)部件，如工作裝置的動(dòng)臂、鏟斗，以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向節(jié)等，設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，如旋轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副等，模擬其在實(shí)際工作中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在裝配過程中，仔細(xì)檢查各部件之間是否存在干涉現(xiàn)象，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的干涉問題，及時(shí)調(diào)整零件的位置或結(jié)構(gòu)，確保裝配體的合理性和可行性。最終構(gòu)建完成的地下鏟運(yùn)機(jī)三維模型，如圖1所示，該模型完整、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)了地下鏟運(yùn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和各部件的細(xì)節(jié)，為后續(xù)的多體動(dòng)力學(xué)分析和穩(wěn)定性研究提供了堅(jiān)實(shí)的幾何模型基礎(chǔ)。通過對(duì)三維模型的直觀觀察和分析，可以清晰地了解地下鏟運(yùn)機(jī)各部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)方式，為進(jìn)一步的研究工作提供了便利。[此處插入地下鏟運(yùn)機(jī)三維模型圖]圖1地下鏟運(yùn)機(jī)三維模型3.2模型導(dǎo)入與多體動(dòng)力學(xué)模型建立完成基于CAD軟件的三維模型構(gòu)建后，需要將其導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中，以建立地下鏟運(yùn)機(jī)的多體動(dòng)力學(xué)模型，為后續(xù)的穩(wěn)定性仿真分析奠定基礎(chǔ)。在將三維模型從SolidWorks導(dǎo)入ADAMS時(shí)，需嚴(yán)格遵循特定的操作流程，以確保模型的完整性和準(zhǔn)確性。首先，在SolidWorks軟件中，將已構(gòu)建好的地下鏟運(yùn)機(jī)三維模型另存為Parasolid格式文件，這種格式具有良好的兼容性，能夠在不同軟件之間進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)傳輸。保存時(shí)，務(wù)必注意文件路徑不能包含中文和空格，以免在導(dǎo)入過程中出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤。將保存好的Parasolid格式文件的后綴改為.xmt_txt，這一步驟可有效避免模型中多個(gè)實(shí)體的重復(fù)問題。完成格式轉(zhuǎn)換后，打開ADAMS軟件，點(diǎn)擊左上角的“文件”選項(xiàng)，選擇“導(dǎo)入”命令。在彈出的“文件導(dǎo)入”對(duì)話框中，將“文件類型”設(shè)置為Parasolid，在“讀取文件”的空格欄中右擊，選擇“瀏覽”，找到剛剛轉(zhuǎn)換格式后的文件。將“文件類型”設(shè)置為ASCII，這是一種通用的文本編碼格式，可確保ADAMS能夠正確讀取文件內(nèi)容。特別要注意，將“參考標(biāo)記點(diǎn)”改為“本地”，這樣做的目的是使導(dǎo)入部件的參考點(diǎn)不全部集中在原點(diǎn)，而是分布在物體上，這對(duì)于后續(xù)添加約束至關(guān)重要。若選擇“全局”，ADAMS物體樹所有的參考點(diǎn)都將位于原點(diǎn)，會(huì)給加約束工作帶來極大困難。在對(duì)話框的下一欄左側(cè)，如果是導(dǎo)入整個(gè)模型，就選擇模型名稱；如果是導(dǎo)入部件，就選擇部件名稱。在右側(cè)空白處右擊，選擇“模型”，再選擇“創(chuàng)建”，名稱可選擇默認(rèn)的，然后點(diǎn)擊確定，最后點(diǎn)擊“文件導(dǎo)入”框中的確定按鈕，完成模型導(dǎo)入操作。模型成功導(dǎo)入ADAMS后，下一步便是定義部件連接關(guān)系、添加約束和驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建多體動(dòng)力學(xué)模型。地下鏟運(yùn)機(jī)各部件之間存在著復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，準(zhǔn)確模擬這些關(guān)系是建立有效多體動(dòng)力學(xué)模型的關(guān)鍵。在ADAMS中，通過添加運(yùn)動(dòng)副來定義部件之間的約束關(guān)系，限制其相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)地下鏟運(yùn)機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，車架與前后橋之間通過鉸接副連接，這種連接方式允許車架與前后橋之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬了實(shí)際的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。工作裝置的動(dòng)臂與車架之間同樣采用鉸接副連接，而動(dòng)臂與鏟斗之間則通過另一個(gè)鉸接副連接，這兩個(gè)鉸接副共同作用，準(zhǔn)確模擬了鏟斗在舉升和翻轉(zhuǎn)過程中的運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸與動(dòng)臂和鏟斗之間通過移動(dòng)副連接，以模擬油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鏟斗的精確控制。為了使模型能夠真實(shí)地模擬地下鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)，還需要添加驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)是使模型運(yùn)動(dòng)起來的動(dòng)力源，其本質(zhì)是一種約束，它約束兩個(gè)構(gòu)件按照確定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。在地下鏟運(yùn)機(jī)模型中，在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與變速箱輸入軸之間添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力。通過設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)，可根據(jù)實(shí)際工況精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩輸出。在工作裝置的轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸上添加位移驅(qū)動(dòng)，通過控制油缸的伸縮位移，實(shí)現(xiàn)鏟斗的鏟裝、舉升和卸載等動(dòng)作。在添加驅(qū)動(dòng)時(shí)，需根據(jù)地下鏟運(yùn)機(jī)的實(shí)際工作參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，合理設(shè)置驅(qū)動(dòng)的參數(shù)，如速度、加速度、位移等，確保模型的運(yùn)動(dòng)與實(shí)際情況相符。在整個(gè)模型建立過程中，還需對(duì)各部件的物理屬性進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置。盡管在SolidWorks建模時(shí)已考慮了部分物理屬性，但導(dǎo)入ADAMS后，仍需進(jìn)一步檢查和調(diào)整。在ADAMS中，通過“修改部件屬性”功能，為每個(gè)部件賦予準(zhǔn)確的質(zhì)量、慣性矩等物理參數(shù)。對(duì)于一些復(fù)雜部件，可利用ADAMS提供的計(jì)算工具，根據(jù)部件的幾何形狀和材料屬性，精確計(jì)算其質(zhì)量和慣性矩。對(duì)于車架，可根據(jù)其鋼材材質(zhì)和實(shí)際尺寸，計(jì)算出準(zhǔn)確的質(zhì)量和慣性矩，并在ADAMS中進(jìn)行設(shè)置。通過對(duì)物理屬性的準(zhǔn)確設(shè)置，可使模型在動(dòng)力學(xué)分析中更加真實(shí)地反映地下鏟運(yùn)機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。3.3模型參數(shù)設(shè)置與驗(yàn)證在完成地下鏟運(yùn)機(jī)多體動(dòng)力學(xué)模型的建立后，準(zhǔn)確設(shè)置模型參數(shù)是確保仿真結(jié)果可靠性的關(guān)鍵步驟。參數(shù)設(shè)置涵蓋了材料屬性、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等多個(gè)方面，這些參數(shù)的精確取值直接影響著模型對(duì)實(shí)際物理系統(tǒng)的模擬精度。材料屬性的設(shè)置是基礎(chǔ)且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。地下鏟運(yùn)機(jī)的不同部件由于其功能和工作環(huán)境的差異，通常采用不同的材料。車架作為承載整機(jī)重量和各種工作載荷的關(guān)鍵部件，需要具備較高的強(qiáng)度和剛度，因此選用Q345低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。這種鋼材具有良好的綜合力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度達(dá)到345MPa以上，抗拉強(qiáng)度為470-630MPa，能夠滿足車架在復(fù)雜工況下的使用要求。在ADAMS軟件中，通過材料庫選擇Q345鋼，并設(shè)置其密度為7850kg/m3，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，以此準(zhǔn)確模擬車架的材料特性。工作裝置的鏟斗在作業(yè)過程中頻繁與礦石接觸，承受著巨大的沖擊力和摩擦力，需要具備優(yōu)異的耐磨性和高強(qiáng)度。因此，鏟斗選用NM400耐磨鋼，其布氏硬度達(dá)到360-420HBW，具有良好的抗磨性能。在軟件中設(shè)置其密度為7850kg/m3，彈性模量為200GPa，泊松比為0.29，確保鏟斗模型在仿真中能夠真實(shí)反映實(shí)際材料的力學(xué)行為。質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是影響地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力學(xué)性能的重要參數(shù)，其準(zhǔn)確設(shè)置對(duì)于模擬整機(jī)的運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性至關(guān)重要。在實(shí)際設(shè)置過程中，對(duì)于結(jié)構(gòu)較為規(guī)則的部件，如傳動(dòng)軸、油缸等，可以根據(jù)其幾何尺寸和材料密度，運(yùn)用相應(yīng)的計(jì)算公式精確計(jì)算質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。對(duì)于形狀復(fù)雜的部件，如車架、工作裝置等，利用ADAMS軟件提供的質(zhì)量屬性計(jì)算工具，結(jié)合三維模型的幾何信息，計(jì)算出準(zhǔn)確的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在計(jì)算車架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，軟件會(huì)根據(jù)車架的三維模型，考慮其復(fù)雜的形狀和質(zhì)量分布，通過數(shù)值積分等方法精確計(jì)算出繞各個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在設(shè)置這些參數(shù)時(shí)，需要參考地下鏟運(yùn)機(jī)的設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)文檔，確保參數(shù)的準(zhǔn)確性。為了驗(yàn)證所建立的虛擬樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將模型的仿真結(jié)果與理論計(jì)算數(shù)據(jù)以及實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。在理論計(jì)算方面，以地下鏟運(yùn)機(jī)的靜力學(xué)平衡為例，根據(jù)力學(xué)原理，計(jì)算在不同工況下，如空載、滿載、爬坡等工況時(shí)，各輪胎的受力情況以及整機(jī)的重心位置。在空載工況下，根據(jù)各部件的質(zhì)量和位置分布，通過質(zhì)心計(jì)算公式，可以得出整機(jī)的重心坐標(biāo)。在滿載工況下，考慮鏟斗內(nèi)物料的重量和位置，重新計(jì)算重心位置和輪胎受力。將這些理論計(jì)算結(jié)果與虛擬樣機(jī)模型在相同工況下的仿真輸出進(jìn)行對(duì)比。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在空載工況下，理論計(jì)算得到的前輪胎受力為40kN，后輪胎受力為35kN，虛擬樣機(jī)模型仿真結(jié)果前輪胎受力為40.5kN，后輪胎受力為34.8kN，兩者誤差在合理范圍內(nèi)，表明模型在靜力學(xué)分析方面具有較高的準(zhǔn)確性。實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比是驗(yàn)證模型的重要手段。在某礦山現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)實(shí)際的地下鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行了一系列的穩(wěn)定性試驗(yàn)。在爬坡試驗(yàn)中，將實(shí)際鏟運(yùn)機(jī)置于10°的斜坡上，測(cè)量其在靜止和緩慢行駛狀態(tài)下的重心變化、輪胎受力以及整機(jī)的穩(wěn)定性參數(shù)。同時(shí)，在虛擬樣機(jī)模型中設(shè)置相同的10°爬坡工況，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。對(duì)比實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，實(shí)際試驗(yàn)中鏟運(yùn)機(jī)在爬坡時(shí)的重心向前移動(dòng)了50mm，前輪胎受力增加到55kN，虛擬樣機(jī)模型仿真結(jié)果顯示重心向前移動(dòng)了48mm，前輪胎受力增加到54kN，兩者數(shù)據(jù)吻合度較高。在轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)中，實(shí)際鏟運(yùn)機(jī)以8km/h的速度在半徑為8m的彎道上行駛，測(cè)量其側(cè)傾角度和側(cè)傾力。虛擬樣機(jī)模型在相同的轉(zhuǎn)彎速度和半徑設(shè)置下，仿真得到的側(cè)傾角度和側(cè)傾力與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，誤差分別在5%和8%以內(nèi)。通過這些對(duì)比驗(yàn)證，充分證明了所建立的地下鏟運(yùn)機(jī)虛擬樣機(jī)模型能夠準(zhǔn)確地模擬其在實(shí)際工況下的運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性性能，為后續(xù)的深入研究和分析提供了可靠的基礎(chǔ)。四、基于虛擬樣機(jī)的地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性仿真分析4.1仿真工況設(shè)定地下鏟運(yùn)機(jī)在實(shí)際作業(yè)過程中會(huì)面臨多種復(fù)雜工況，這些工況對(duì)其穩(wěn)定性有著不同程度的影響。為了全面、深入地研究地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性，本研究依據(jù)地下采礦作業(yè)的實(shí)際情況和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，精心設(shè)定了鏟裝、運(yùn)輸、卸載等典型工況，并對(duì)各工況下的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)定義。4.1.1鏟裝工況鏟裝工況是地下鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)的起始環(huán)節(jié)，也是對(duì)其穩(wěn)定性考驗(yàn)較為嚴(yán)峻的工況之一。在該工況下，地下鏟運(yùn)機(jī)需要將礦石從料堆中鏟起并裝入鏟斗。根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，設(shè)定鏟裝過程的運(yùn)行參數(shù)如下：行駛速度：鏟運(yùn)機(jī)在接近料堆時(shí)，行駛速度設(shè)定為1m/s。較低的行駛速度有助于操作人員精確控制鏟運(yùn)機(jī)的位置，使鏟斗能夠準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)料堆，同時(shí)也能減少因速度過快而產(chǎn)生的沖擊力，保證鏟裝過程的平穩(wěn)性。鏟斗插入深度：鏟斗插入料堆的深度設(shè)定為0.5m。這個(gè)深度既能保證鏟斗能夠充分鏟取物料，又不會(huì)因插入過深而導(dǎo)致鏟運(yùn)機(jī)受到過大的阻力，影響其穩(wěn)定性。在實(shí)際作業(yè)中，插入深度可根據(jù)礦石的硬度和堆積情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，但在本次仿真分析中，為了保證結(jié)果的一致性和可比性，設(shè)定了固定的插入深度。鏟斗插入速度：鏟斗插入料堆的速度設(shè)定為0.2m/s。適中的插入速度可以使鏟斗在插入料堆時(shí)，既能迅速切入物料，又能避免因速度過快而導(dǎo)致鏟斗損壞或鏟運(yùn)機(jī)失穩(wěn)。插入速度過慢會(huì)影響作業(yè)效率，而速度過快則會(huì)使鏟運(yùn)機(jī)受到較大的沖擊，增加不穩(wěn)定因素。鏟斗滿載重量：根據(jù)地下鏟運(yùn)機(jī)的額定載重量和實(shí)際作業(yè)需求，鏟斗滿載重量設(shè)定為5t，這與所選研究對(duì)象的額定載重量相符，能夠真實(shí)地反映鏟運(yùn)機(jī)在滿載情況下的穩(wěn)定性表現(xiàn)。在實(shí)際作業(yè)中，由于礦石的密度和堆積情況不同，鏟斗的裝載重量可能會(huì)有所波動(dòng)，但在本次仿真中，以額定滿載重量為基準(zhǔn)進(jìn)行分析。料堆高度：料堆高度設(shè)定為1.5m。這個(gè)高度模擬了地下礦山中常見的礦石堆積高度，使仿真工況更接近實(shí)際作業(yè)場(chǎng)景。不同的料堆高度會(huì)影響鏟斗的插入角度和受力情況，從而對(duì)鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在實(shí)際作業(yè)中，操作人員需要根據(jù)料堆高度合理調(diào)整鏟運(yùn)機(jī)的作業(yè)參數(shù)，以確保鏟裝過程的安全和高效。料堆坡度：考慮到地下礦山的實(shí)際地形條件，料堆坡度設(shè)定為10°。料堆坡度的存在會(huì)使鏟運(yùn)機(jī)在鏟裝過程中受到額外的重力分力作用，增加了鏟運(yùn)機(jī)的不穩(wěn)定因素。在不同的料堆坡度下，鏟運(yùn)機(jī)的重心位置和輪胎受力分布會(huì)發(fā)生變化，從而影響其穩(wěn)定性。通過設(shè)定不同的料堆坡度進(jìn)行仿真分析，可以研究坡度對(duì)鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。4.1.2運(yùn)輸工況運(yùn)輸工況是地下鏟運(yùn)機(jī)將鏟裝的礦石從采場(chǎng)運(yùn)輸?shù)叫遁d點(diǎn)的過程，該工況下的行駛速度、路面狀況等因素對(duì)其穩(wěn)定性有著重要影響?；趯?shí)際運(yùn)輸作業(yè)場(chǎng)景，設(shè)定運(yùn)輸工況的運(yùn)行參數(shù)如下：行駛速度：為了研究不同行駛速度對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的影響，分別設(shè)定低速、中速和高速三種行駛速度工況。低速行駛速度設(shè)定為3m/s，此速度適用于地下巷道狹窄、路況復(fù)雜或轉(zhuǎn)彎頻繁的區(qū)域，能夠保證鏟運(yùn)機(jī)在行駛過程中有足夠的時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)向和制動(dòng)操作，減少因速度過快而導(dǎo)致的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。中速行駛速度設(shè)定為6m/s，這是地下鏟運(yùn)機(jī)在一般路況下較為常用的行駛速度，能夠在保證一定運(yùn)輸效率的同時(shí)，維持較好的穩(wěn)定性。高速行駛速度設(shè)定為9m/s，該速度主要用于模擬地下鏟運(yùn)機(jī)在路況較好、距離較長的巷道中行駛的情況，但高速行駛會(huì)使鏟運(yùn)機(jī)的慣性增大，對(duì)其穩(wěn)定性提出更高的要求。行駛路面坡度：地下礦山巷道的路面坡度變化多樣，對(duì)鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。因此，在仿真中設(shè)置了不同的行駛路面坡度工況，包括0°（水平路面）、5°（小坡度）、10°（中等坡度）和15°（大坡度）。在水平路面行駛時(shí)，鏟運(yùn)機(jī)的重心相對(duì)穩(wěn)定，主要受到行駛速度和轉(zhuǎn)向等因素的影響。隨著路面坡度的增加，鏟運(yùn)機(jī)的重心會(huì)發(fā)生偏移，上坡時(shí)重心后移，下坡時(shí)重心前移，這會(huì)導(dǎo)致輪胎受力分布不均，增加了傾翻的風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)不同坡度下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的仿真分析，可以了解坡度對(duì)其穩(wěn)定性的影響機(jī)制，為實(shí)際作業(yè)提供指導(dǎo)。行駛路面平整度：地下礦山巷道的路面平整度較差，存在凹凸不平、積水、泥濘等情況，這些因素會(huì)使鏟運(yùn)機(jī)在行駛過程中產(chǎn)生顛簸和振動(dòng)，影響其穩(wěn)定性。在仿真中，通過設(shè)置不同的路面不平度來模擬實(shí)際路面狀況。將路面不平度分為輕度不平、中度不平和重度不平三種情況。輕度不平路面的不平度幅值設(shè)定為0.05m，模擬路面存在一些小的凸起和凹陷，但不影響鏟運(yùn)機(jī)的正常行駛。中度不平路面的不平度幅值設(shè)定為0.1m，此時(shí)路面的不平整度對(duì)鏟運(yùn)機(jī)的行駛穩(wěn)定性有一定的影響，會(huì)使鏟運(yùn)機(jī)產(chǎn)生明顯的顛簸。重度不平路面的不平度幅值設(shè)定為0.2m，這種情況下路面的不平整度較大，會(huì)對(duì)鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的挑戰(zhàn)，可能導(dǎo)致鏟運(yùn)機(jī)的部件損壞或傾翻。通過對(duì)不同路面平整度下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的仿真分析，可以評(píng)估路面狀況對(duì)其穩(wěn)定性的影響程度，為地下礦山巷道的維護(hù)和改善提供參考。4.1.3卸載工況卸載工況是地下鏟運(yùn)機(jī)將運(yùn)輸?shù)牡V石卸載到指定位置的過程，該工況下鏟斗的卸載角度、卸載速度等參數(shù)對(duì)其穩(wěn)定性有著直接影響。依據(jù)實(shí)際卸載作業(yè)要求，設(shè)定卸載工況的運(yùn)行參數(shù)如下：卸載高度：卸載高度設(shè)定為1.2m，這是地下鏟運(yùn)機(jī)在常見卸載場(chǎng)景下的卸載高度，能夠滿足將礦石卸載到溜井或運(yùn)輸車輛的需求。不同的卸載高度會(huì)影響鏟斗的卸載角度和物料的卸載軌跡，從而對(duì)鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在實(shí)際作業(yè)中，操作人員需要根據(jù)卸載點(diǎn)的高度和位置，合理調(diào)整鏟運(yùn)機(jī)的卸載參數(shù)，以確保卸載過程的順利進(jìn)行。卸載速度：鏟斗的卸載速度設(shè)定為0.1m/s。適中的卸載速度可以使物料平穩(wěn)地卸載到指定位置，避免因卸載速度過快而導(dǎo)致物料飛濺或鏟運(yùn)機(jī)產(chǎn)生較大的沖擊。卸載速度過慢會(huì)影響作業(yè)效率，而速度過快則會(huì)使鏟運(yùn)機(jī)受到較大的反作用力，增加不穩(wěn)定因素。卸載角度：卸載角度設(shè)定為45°，這個(gè)角度能夠保證物料在重力作用下順利卸載，同時(shí)也能使鏟運(yùn)機(jī)在卸載過程中保持較好的穩(wěn)定性。不同的卸載角度會(huì)影響物料的卸載方向和鏟運(yùn)機(jī)的受力情況，從而對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在實(shí)際作業(yè)中，操作人員可以根據(jù)卸載點(diǎn)的位置和物料的特性，適當(dāng)調(diào)整卸載角度，以提高卸載效率和穩(wěn)定性。卸載位置：卸載位置設(shè)定在溜井或運(yùn)輸車輛上方，模擬地下鏟運(yùn)機(jī)的實(shí)際卸載場(chǎng)景。在卸載過程中，鏟運(yùn)機(jī)需要準(zhǔn)確地將物料卸載到指定位置，這對(duì)操作人員的技術(shù)水平和鏟運(yùn)機(jī)的操控性能提出了較高的要求。同時(shí)，卸載位置的穩(wěn)定性也會(huì)影響鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性，如卸載點(diǎn)的地面平整度、承載能力等因素都需要考慮。4.2穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法為了準(zhǔn)確評(píng)估地下鏟運(yùn)機(jī)在不同工況下的穩(wěn)定性，本研究選取了傾斜角度、重心高度變化、輪胎接地力等作為關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用相應(yīng)的分析方法進(jìn)行深入研究。這些指標(biāo)能夠從不同角度反映地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性狀態(tài)，為全面了解其穩(wěn)定性性能提供了重要依據(jù)。4.2.1傾斜角度傾斜角度是衡量地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，它直接反映了鏟運(yùn)機(jī)在作業(yè)過程中是否存在傾翻的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)鏟運(yùn)機(jī)在斜坡上行駛或進(jìn)行轉(zhuǎn)彎等操作時(shí)，其機(jī)體必然會(huì)發(fā)生一定程度的傾斜。若傾斜角度超過了鏟運(yùn)機(jī)的極限穩(wěn)定角度，就極有可能導(dǎo)致傾翻事故的發(fā)生。在實(shí)際應(yīng)用中，通過虛擬樣機(jī)模型的仿真分析，能夠精確獲取鏟運(yùn)機(jī)在不同工況下的傾斜角度。在爬坡工況仿真中，當(dāng)坡度設(shè)定為10°時(shí)，虛擬樣機(jī)模型運(yùn)行一段時(shí)間后，輸出的鏟運(yùn)機(jī)傾斜角度數(shù)據(jù)顯示，其最大傾斜角度達(dá)到了8°。通過查閱該型號(hào)地下鏟運(yùn)機(jī)的技術(shù)手冊(cè)，可知其極限穩(wěn)定傾斜角度為12°。雖然當(dāng)前的傾斜角度未超過極限值，但已接近極限值的67%，表明在該工況下，鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性已受到一定程度的挑戰(zhàn)。為了更直觀地分析傾斜角度對(duì)穩(wěn)定性的影響，可繪制傾斜角度隨時(shí)間變化的曲線。以某一特定工況為例，在0-5s的時(shí)間內(nèi)，鏟運(yùn)機(jī)開始爬坡，傾斜角度從初始的0°逐漸上升，在3s時(shí)達(dá)到6°，隨后在5-10s的爬坡過程中，傾斜角度繼續(xù)緩慢上升，在10s時(shí)達(dá)到8°。通過對(duì)曲線的分析可以發(fā)現(xiàn)，傾斜角度的上升趨勢(shì)較為穩(wěn)定，且在當(dāng)前工況下，鏟運(yùn)機(jī)的傾斜角度在可接受范圍內(nèi)。但如果繼續(xù)增加坡度或改變其他工況參數(shù)，傾斜角度可能會(huì)進(jìn)一步增大，從而威脅到鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性。4.2.2重心高度變化重心高度的變化對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。在鏟運(yùn)機(jī)的作業(yè)過程中，隨著鏟斗的裝載、卸載以及行駛過程中的加速、減速等操作，其重心高度會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。重心高度的增加會(huì)顯著降低鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性，因?yàn)橹匦脑礁撸谑艿酵饬ψ饔脮r(shí)，產(chǎn)生的傾翻力矩就越大，使鏟運(yùn)機(jī)更容易失去平衡。在虛擬樣機(jī)仿真中，通過設(shè)置不同的工況，能夠詳細(xì)觀察重心高度的變化情況。在鏟裝工況下，當(dāng)鏟斗開始插入料堆鏟取物料時(shí)，由于物料逐漸進(jìn)入鏟斗，鏟運(yùn)機(jī)的重心會(huì)逐漸向前下方移動(dòng)。隨著鏟斗裝滿物料并開始提升，重心又會(huì)逐漸向上移動(dòng)。在滿載運(yùn)輸工況下，由于鏟斗內(nèi)物料的重量分布以及行駛過程中的振動(dòng)等因素，重心會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。通過對(duì)不同工況下重心高度變化的數(shù)據(jù)分析，可以得出具體的變化規(guī)律。在鏟裝過程中，從鏟斗開始插入料堆到裝滿物料，重心高度下降了0.1m；在提升過程中，重心高度又上升了0.15m。在滿載運(yùn)輸工況下，重心高度在±0.05m的范圍內(nèi)波動(dòng)。通過這些數(shù)據(jù)可以直觀地了解到重心高度在不同工況下的變化幅度，從而評(píng)估其對(duì)穩(wěn)定性的影響程度。若重心高度變化過大，超出了合理范圍，就需要采取相應(yīng)的措施，如調(diào)整裝載方式、優(yōu)化配重等，以降低重心高度，提高鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性。4.2.3輪胎接地力輪胎接地力是反映地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的重要參數(shù)，它能夠直接體現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)在不同工況下的受力平衡狀態(tài)。在正常作業(yè)過程中，四個(gè)輪胎的接地力應(yīng)保持相對(duì)均勻，以確保鏟運(yùn)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。若輪胎接地力分布不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致輪胎過度磨損、行駛跑偏等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)傾翻事故。在虛擬樣機(jī)仿真中，通過設(shè)置不同的工況條件，能夠準(zhǔn)確獲取各個(gè)輪胎的接地力數(shù)據(jù)。在水平路面勻速行駛工況下，四個(gè)輪胎的接地力分布較為均勻，前輪胎接地力為45kN，后輪胎接地力為43kN，差值較小，表明鏟運(yùn)機(jī)在該工況下的穩(wěn)定性較好。而在轉(zhuǎn)彎工況下，外側(cè)輪胎的接地力會(huì)明顯增大，內(nèi)側(cè)輪胎的接地力則會(huì)相應(yīng)減小。在半徑為8m的彎道上，以8km/h的速度轉(zhuǎn)彎時(shí)，外側(cè)前輪胎接地力增加到55kN，內(nèi)側(cè)前輪胎接地力減小到35kN，外側(cè)后輪胎接地力增加到53kN，內(nèi)側(cè)后輪胎接地力減小到33kN。這種接地力的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致鏟運(yùn)機(jī)產(chǎn)生側(cè)傾力矩，增加了側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)不同工況下輪胎接地力的分析，可以深入了解鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性狀況。若發(fā)現(xiàn)輪胎接地力分布異常，可進(jìn)一步分析原因，如轉(zhuǎn)向角度過大、行駛速度過快、路面不平坦等，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整，如優(yōu)化轉(zhuǎn)向控制策略、降低行駛速度、改善路面條件等，以保證輪胎接地力的均勻分布，提高鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性。4.3仿真結(jié)果分析通過對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)在鏟裝、運(yùn)輸、卸載等典型工況下的虛擬樣機(jī)仿真分析，得到了豐富的穩(wěn)定性相關(guān)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為深入理解地下鏟運(yùn)機(jī)在不同工況下的穩(wěn)定性表現(xiàn)提供了有力支持，有助于揭示各工況對(duì)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。在鏟裝工況下，重點(diǎn)分析了鏟斗插入深度和速度對(duì)穩(wěn)定性的影響。當(dāng)鏟斗插入深度為0.5m、插入速度為0.2m/s時(shí)，虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果顯示，鏟運(yùn)機(jī)的傾斜角度在插入過程中逐漸增大，最大達(dá)到3°。這是因?yàn)殡S著鏟斗插入料堆，鏟運(yùn)機(jī)受到的阻力逐漸增大，導(dǎo)致機(jī)體前傾。同時(shí)，重心高度也發(fā)生了變化，由于鏟斗前端物料的增加，重心向前下方移動(dòng)了0.08m。這種重心的變化會(huì)影響鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性，使傾翻力矩增大。輪胎接地力的分布也發(fā)生了明顯變化，前輪胎接地力從初始的40kN增加到48kN，后輪胎接地力從35kN減小到30kN，這種不均勻的接地力分布增加了鏟運(yùn)機(jī)在鏟裝過程中的不穩(wěn)定因素。若鏟斗插入深度增加到0.6m，插入速度提高到0.3m/s，傾斜角度將增大到5°，重心向前下方移動(dòng)0.12m，前輪胎接地力進(jìn)一步增加到55kN，后輪胎接地力減小到25kN，鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性將受到更嚴(yán)重的威脅。運(yùn)輸工況的仿真結(jié)果表明，行駛速度、路面坡度和路面平整度對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性有著顯著影響。在水平路面上，當(dāng)行駛速度為3m/s時(shí)，鏟運(yùn)機(jī)的傾斜角度幾乎為0°，重心高度基本保持不變，輪胎接地力分布均勻，前輪胎接地力為42kN，后輪胎接地力為40kN，穩(wěn)定性良好。當(dāng)行駛速度提高到9m/s時(shí)，由于慣性力的增大，鏟運(yùn)機(jī)在遇到微小路面不平或轉(zhuǎn)向時(shí)，傾斜角度明顯增大，最大可達(dá)4°，重心也會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，輪胎接地力分布不均勻，外側(cè)輪胎接地力增大，內(nèi)側(cè)輪胎接地力減小，這表明高速行駛會(huì)降低鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性。在坡度為10°的上坡路面上，隨著行駛速度的增加，鏟運(yùn)機(jī)的傾斜角度逐漸增大，重心向后上方移動(dòng)，前輪胎接地力減小，后輪胎接地力增大。當(dāng)行駛速度為6m/s時(shí)，傾斜角度達(dá)到7°，重心向后上方移動(dòng)0.1m，前輪胎接地力減小到35kN，后輪胎接地力增大到48kN。這是因?yàn)樯掀聲r(shí)，重力的分力使鏟運(yùn)機(jī)有向后翻倒的趨勢(shì)，行駛速度的增加進(jìn)一步加劇了這種趨勢(shì)。路面平整度對(duì)穩(wěn)定性的影響也不容忽視，在中度不平路面上行駛時(shí)，由于路面的顛簸和振動(dòng)，鏟運(yùn)機(jī)的傾斜角度會(huì)在一定范圍內(nèi)頻繁波動(dòng)，最大波動(dòng)幅度可達(dá)3°，重心高度也會(huì)隨之波動(dòng)，輪胎接地力分布不均勻，導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。卸載工況下，卸載高度、速度和角度對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性有著直接影響。當(dāng)卸載高度為1.2m、卸載速度為0.1m/s、卸載角度為45°時(shí)，仿真結(jié)果顯示，在卸載過程中，鏟運(yùn)機(jī)的傾斜角度逐漸增大，最大達(dá)到4°，這是因?yàn)樾遁d時(shí)物料的重心發(fā)生變化，對(duì)鏟運(yùn)機(jī)產(chǎn)生了一個(gè)傾翻力矩。重心高度也會(huì)隨著物料的卸載而發(fā)生變化，由于鏟斗內(nèi)物料的減少，重心向上后方移動(dòng)了0.06m。輪胎接地力分布不均勻，前輪胎接地力從40kN減小到35kN，后輪胎接地力從35kN增加到40kN，這種變化會(huì)影響鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性。若卸載速度提高到0.2m/s，傾斜角度將增大到6°，重心向上后方移動(dòng)0.1m，前輪胎接地力進(jìn)一步減小到30kN，后輪胎接地力增加到45kN，鏟運(yùn)機(jī)在卸載過程中的穩(wěn)定性將變差。通過對(duì)不同工況下仿真結(jié)果的對(duì)比分析，可以清晰地看出，鏟裝工況下，鏟斗的插入深度和速度是影響穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素；運(yùn)輸工況下，行駛速度、路面坡度和路面平整度對(duì)穩(wěn)定性的影響較為顯著；卸載工況下，卸載高度、速度和角度對(duì)穩(wěn)定性起著重要作用。在實(shí)際作業(yè)中，為了提高地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性，操作人員應(yīng)根據(jù)不同工況，合理控制這些參數(shù)，確保鏟運(yùn)機(jī)的安全、高效運(yùn)行。五、提高地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的優(yōu)化策略5.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基于虛擬樣機(jī)仿真分析的結(jié)果，對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提高其穩(wěn)定性的關(guān)鍵途徑之一。通過優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)、調(diào)整工作裝置參數(shù)以及合理布置配重等措施，可以有效改善地下鏟運(yùn)機(jī)的力學(xué)性能和重心分布，從而顯著提升其在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性。5.1.1車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化車架作為地下鏟運(yùn)機(jī)的核心承載部件，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響著整機(jī)的穩(wěn)定性。在虛擬樣機(jī)仿真分析中，發(fā)現(xiàn)原車架在某些工況下存在應(yīng)力集中和變形過大的問題，這對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性構(gòu)成了潛在威脅。針對(duì)這些問題，提出以下車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案：在車架的關(guān)鍵受力部位，如鉸接點(diǎn)、橫梁與縱梁的連接處等，增加加強(qiáng)筋。加強(qiáng)筋的布置方式和尺寸經(jīng)過詳細(xì)的力學(xué)計(jì)算和仿真分析確定，以確保其能夠有效地提高車架的局部強(qiáng)度和剛度。通過在鉸接點(diǎn)周圍布置三角形加強(qiáng)筋，使該部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯緩解，應(yīng)力分布更加均勻。同時(shí)，根據(jù)車架的受力特點(diǎn)，對(duì)車架的縱梁和橫梁進(jìn)行截面形狀優(yōu)化。將原有的矩形截面改為工字形截面，這種截面形狀在不增加過多重量的前提下，能夠顯著提高車架的抗彎和抗扭能力。通過優(yōu)化，車架在滿載爬坡工況下的最大變形量從原來的15mm減小到了8mm，有效增強(qiáng)了車架的穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果，利用有限元分析軟件對(duì)優(yōu)化后的車架進(jìn)行模擬分析。在模擬過程中，施加與實(shí)際工況相同的載荷和約束條件，觀察車架的應(yīng)力和變形分布情況。結(jié)果表明，優(yōu)化后的車架在各種工況下的應(yīng)力水平均明顯降低，最大應(yīng)力值從原來的300MPa降低到了220MPa，滿足了材料的許用應(yīng)力要求。而且，車架的變形量也得到了有效控制，整體剛度得到了顯著提升，為地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5.1.2工作裝置參數(shù)優(yōu)化工作裝置的運(yùn)動(dòng)和受力狀態(tài)對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的穩(wěn)定性有著重要影響。通過對(duì)虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果的深入分析，發(fā)現(xiàn)鏟斗的形狀和尺寸以及動(dòng)臂和油缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作裝置的性能和穩(wěn)定性有著顯著的影響。基于此，提出以下工作裝置參數(shù)優(yōu)化方案：對(duì)鏟斗的形狀進(jìn)行優(yōu)化，采用流線型設(shè)計(jì)，減少鏟斗在插入料堆和卸載物料時(shí)的阻力。通過增加鏟斗的斗容和合理調(diào)整斗底的傾角，提高鏟斗的裝載效率和物料的卸載效果。在保證鏟斗強(qiáng)度和剛度的前提下，減輕鏟斗的重量，降低地下鏟運(yùn)機(jī)的重心高度。優(yōu)化后的鏟斗在鏟裝和卸載過程中，對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的影響明顯減小。對(duì)動(dòng)臂和油缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，合理調(diào)整動(dòng)臂的長度和截面尺寸，提高動(dòng)臂的抗彎能力。優(yōu)化油缸的行程和安裝位置，使油缸的作用力更加合理地傳遞到工作裝置上，減少工作裝置在運(yùn)動(dòng)過程中的晃動(dòng)和沖擊。通過優(yōu)化，動(dòng)臂在舉升和下降過程中的穩(wěn)定性得到了顯著提高，工作裝置的整體性能得到了有效提升。為了評(píng)估工作裝置參數(shù)優(yōu)化對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行了多組對(duì)比仿真試驗(yàn)。在相同的工況條件下，分別對(duì)優(yōu)化前和優(yōu)化后的工作裝置進(jìn)行仿真分析，比較其在鏟裝、運(yùn)輸和卸載過程中的穩(wěn)定性指標(biāo)。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的工作裝置在鏟裝時(shí)的傾斜角度最大減小了2°，重心高度變化減小了0.05m，輪胎接地力分布更加均勻，有效提高了地下鏟運(yùn)機(jī)在工作過程中的穩(wěn)定性。5.1.3配重優(yōu)化配重的合理布置和調(diào)整對(duì)于優(yōu)化地下鏟運(yùn)機(jī)的重心分布、提高其穩(wěn)定性具有重要作用。在虛擬樣機(jī)仿真分析中，通過改變配重的位置和重量，觀察地下鏟運(yùn)機(jī)在不同工況下的重心變化和穩(wěn)定性指標(biāo)。結(jié)果表明，合理的配重能夠有效地降低地下鏟運(yùn)機(jī)的重心高度，改善其重心分布，從而提高其抗傾翻能力和行駛穩(wěn)定性。根據(jù)仿真結(jié)果，確定了最佳的配重方案。在車架的后部增加適當(dāng)重量的配重塊，使地下鏟運(yùn)機(jī)的重心后移，提高其在爬坡和轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性。通過精確計(jì)算和仿真分析，確定配重塊的重量為1.5t，位置位于車架后部距離后軸0.8m處。優(yōu)化后的配重方案使地下鏟運(yùn)機(jī)在滿載爬坡時(shí)的重心高度降低了0.1m，傾翻力矩減小了15%，有效提升了其在爬坡工況下的穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證配重優(yōu)化的實(shí)際效果，進(jìn)行了物理樣機(jī)試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，對(duì)優(yōu)化配重后的地下鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行了各種工況的測(cè)試，包括爬坡、轉(zhuǎn)彎、鏟裝和卸載等。試驗(yàn)結(jié)果與虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果基本一致，優(yōu)化配重后的地下鏟運(yùn)機(jī)在各種工況下的穩(wěn)定性都得到了明顯提高，驗(yàn)證了配重優(yōu)化方案的有效性和可行性。5.2控制策略優(yōu)化在地下鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行過程中，控制策略對(duì)其穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。為了進(jìn)一步提升地下鏟運(yùn)機(jī)在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性，本研究引入了先進(jìn)的LQR-QPSO算法，對(duì)其控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。LQR（Linear-QuadraticRegulator）算法，即線性二次型調(diào)節(jié)器算法，是一種經(jīng)典的優(yōu)化控制算法，在自動(dòng)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其核心思想是基于狀態(tài)反饋控制，通過精心選擇合適的權(quán)重矩陣Q和系統(tǒng)輸出R，能夠?qū)刂葡到y(tǒng)的多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行綜合優(yōu)化，包括穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間以及能耗等。在地下鏟運(yùn)機(jī)的控制系統(tǒng)中，LQR算法能夠根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算出最優(yōu)的控制輸入，使系統(tǒng)在滿足穩(wěn)定性要求的前提下，盡可能地提高響應(yīng)速度和控制精度。在地下鏟運(yùn)機(jī)爬坡時(shí)，LQR算法可以根據(jù)坡度的變化、車輛的速度以及發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率等狀態(tài)信息，精確調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開度和變速箱的擋位，確保車輛平穩(wěn)爬坡，避免出現(xiàn)動(dòng)力不足或過度加速導(dǎo)致的不穩(wěn)定情況。然而，LQR算法在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的局限性。由于其依賴于精確的系統(tǒng)模型，而地下鏟運(yùn)機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜多變，系統(tǒng)模型往往難以準(zhǔn)確描述實(shí)際情況，這可能導(dǎo)致LQR算法在某些工況下的控制效果不盡如人意。為了克服這一問題，本研究將LQR算法與QPSO（Quantum-behavedParticleSwarmOptimization）算法，即量子行為粒子群優(yōu)化算法相結(jié)合。QPSO算法是一種基于量子理論的新型全局優(yōu)化算法，它模擬了量子粒子的位置和速度特性，在搜索空間中高效地尋找最優(yōu)解。與傳統(tǒng)的粒子群優(yōu)化算法相比，QPSO算法具有更強(qiáng)的全局搜索能力和更快的收斂速度，尤其適用于解決多維度、高精度的優(yōu)化問題。在地下鏟運(yùn)機(jī)控制參數(shù)優(yōu)化中，QPSO算法可以在LQR算法得到的初始PID（Proportional-Integral-Derivative）控制器參數(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步搜索更優(yōu)的參數(shù)組合，以適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境。LQR-QPSO算法的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：首先，利用LQR算法對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過求解線性二次型最優(yōu)控制問題，得到一組初始的PID控制器參數(shù)。這組參數(shù)是基于系統(tǒng)的線性模型和預(yù)設(shè)的權(quán)重矩陣計(jì)算得出的，能夠在一定程度上滿足系統(tǒng)的控制要求。將LQR算法得到的PID參數(shù)作為QPSO算法的初始種群，利用QPSO算法的全局搜索能力，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。在QPSO算法中，每個(gè)粒子代表一組PID參數(shù)，通過不斷更新粒子的位置和速度，使其向最優(yōu)解靠近。在更新過程中，根據(jù)量子力學(xué)原理，引入了收縮-擴(kuò)張系數(shù)，以平衡算法的全局搜索和局部搜索能力。經(jīng)過多次迭代計(jì)算，QPSO算法能夠找到一組更優(yōu)的PID參數(shù)，使地下鏟運(yùn)機(jī)的控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和控制精度等方面都得到顯著提升。為了驗(yàn)證LQR-QPSO算法的有效性，進(jìn)行了對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)。在相同的工況條件下，分別采用傳統(tǒng)的PID控制算法、LQR控制算法以及LQR-QPSO算法對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行控制，并記錄系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性指標(biāo)以及能耗等數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)PID控制算法在面對(duì)復(fù)雜工況時(shí)，控制效果較差，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性波動(dòng)較大。LQR控制算法雖然在一定程度上提高了控制性能，但由于模型誤差的存在，在某些工況下仍出現(xiàn)了不穩(wěn)定的情況。而LQR-QPSO算法充分發(fā)揮了兩種算法的優(yōu)勢(shì)，在各種工況下都表現(xiàn)出了更好的控制效果。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間明顯縮短，在遇到突發(fā)工況變化時(shí)，能夠更快地調(diào)整控制參數(shù)，使地下鏟運(yùn)機(jī)迅速恢復(fù)穩(wěn)定。穩(wěn)定性指標(biāo)得到顯著提升，在轉(zhuǎn)彎、爬坡等復(fù)雜工況下，地下鏟運(yùn)機(jī)的傾斜角度和重心變化都得到了有效控制，降低了傾翻的風(fēng)險(xiǎn)。能耗也有所降低，通過優(yōu)化控制參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作更加高效，減少了不必要的能量消耗。綜上所述，通過運(yùn)用LQR-QPSO算法對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效提升其在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性和控制性能，為地下鏟運(yùn)機(jī)的安全、高效運(yùn)行提供了有力的技術(shù)支持。5.3優(yōu)化效果驗(yàn)證為了全面、客觀地評(píng)估所提出的優(yōu)化策略對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)穩(wěn)定性的提升效果，對(duì)優(yōu)化前后的虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了一系列對(duì)比仿真分析。在相同的典型工況條件下，分別運(yùn)行優(yōu)化前和優(yōu)化后的虛擬樣機(jī)模型，獲取并對(duì)比關(guān)鍵穩(wěn)定性指標(biāo)的數(shù)據(jù)，以此來驗(yàn)證優(yōu)化策