雷黎明(荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 荊州 434020)
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礦用機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的原理設(shè)計探討
雷黎明
(荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北荊州434020)
摘要:鏟斗是挖掘機(jī)的重要組成部分,其對挖掘生產(chǎn)的效率有著決定性的影響,同時,鏟斗的設(shè)計對挖掘機(jī)的穩(wěn)定性也是十分重要的。本文將簡單介紹一些礦用機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的設(shè)計要求,并介紹一些如離散元、智能控制等先進(jìn)技術(shù),在鏟斗設(shè)計中的應(yīng)用,為鏟斗的結(jié)構(gòu)合理設(shè)計和提高鏟斗效率的提高提供一些參考。
關(guān)鍵詞:礦用;機(jī)械式挖掘機(jī);鏟斗;原理探討
挖掘機(jī)是用鏟斗挖掘高于或低于承機(jī)面的物料,并裝入運輸車輛或卸至堆料場的土方機(jī)械。挖掘機(jī)挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及經(jīng)過預(yù)松后的土壤和巖石。近來,挖掘機(jī)的發(fā)展較快,已經(jīng)成為工程建設(shè)中最主要的工程機(jī)械之一。由于機(jī)械式挖掘機(jī)的生產(chǎn)效率比較高,運行穩(wěn)定性優(yōu)良,所以被廣泛的應(yīng)用于采礦作業(yè)中。由于鏟斗是最直接的工作部件,其面臨的損耗和沖擊也是最大的,因此鏟斗的設(shè)計方面應(yīng)該予以足夠的重視。
礦用機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的設(shè)計,直接關(guān)系到鏟斗能否符合挖掘工作的要求,對其挖掘的效率和挖掘的壽命有著最直接的影響,因此也有必要對機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的設(shè)計進(jìn)行研究。當(dāng)前,國外已經(jīng)有比較成熟的設(shè)計理念和分析手段了,如一些主流的設(shè)計鏟斗的公司,分別針對鏟斗挖掘物料的不同來進(jìn)行不同的設(shè)計,并利用有限元等現(xiàn)代技術(shù)對鏟斗的強度和效率等待呢個進(jìn)行分析。觀之國內(nèi),目前還處于起步階段,其設(shè)計與分析還采用借鑒模仿的方式。在這方面國內(nèi)還有很長的一段路要走。
通常來說,常見的機(jī)械式挖掘機(jī)的鏟斗由斗體、斗唇、斗齒、斗底及一些耳板、護(hù)板焊接而成的。鏟斗斗體應(yīng)保證足夠的強度和剛度,它是主要的切削和支撐部件;斗唇是鏟斗與斗齒的連接部分,斗齒的作用是減少挖掘阻力。磨損較為嚴(yán)重,所以在斗齒的材料選擇上應(yīng)采用耐磨鑄件;斗底的作用主要是承載物料,斗底還設(shè)置有開斗機(jī)構(gòu),可便于物料的卸出。
在礦用機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的設(shè)計中,需要綜合考慮下面幾個因素:(1)需要保證鏟斗有足夠的強度與剛度,礦用機(jī)械式挖掘機(jī)鏟最主要的作用是挖礦,其工作的物料對象的硬度和輕度都是十分明顯的,礦用機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的設(shè)計如若缺乏針對性的設(shè)計,往往造成鏟斗壽命的縮減。(2)需要對鏟斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行分析,合理設(shè)計。只有合乎標(biāo)準(zhǔn)的鏟斗設(shè)計,才能保證鏟斗的形狀合理,在減小挖掘時,可以使阻力達(dá)到最小,同時,合理的形狀也是對鏟斗的物料卸出十分便利的。(3)在礦用機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的設(shè)計中,也要注意保證結(jié)構(gòu)的簡單與鏟斗強度的關(guān)系,在保證強度的同時,做到最大的裝卸量和便于維修更換,也是在設(shè)計中需要注意的問題。
當(dāng)前科技的發(fā)展,也帶動了很多行業(yè)的發(fā)展,在鏟斗的設(shè)計中,很多先進(jìn)而成熟的技術(shù)被引入進(jìn)來,如有限元技術(shù)、離散元技術(shù)、自動稱量技術(shù)和智能控制技術(shù)的等等。這些技術(shù)的應(yīng)用,直接減少了鏟斗設(shè)計周期,提高了鏟斗性能,對機(jī)械式挖掘機(jī)的鏟斗整體技術(shù)的提高都起到了很好的促進(jìn)作用。
2.1有限元技術(shù)應(yīng)用
當(dāng)前,對機(jī)械式的挖掘機(jī)鏟斗的設(shè)計上,VR Steel公司用有限元分析的技術(shù)對其進(jìn)行應(yīng)力分析,這中分析設(shè)計和其后的使用,最直接的降低了鏟斗的載荷,對鏟斗的壽命提高起到了很大的作用。而BUCYRUS公司應(yīng)用有限元分析,并結(jié)合試驗樣機(jī)、變形測量等等技術(shù),在機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗性能提升上得到很大發(fā)展。
2.2離散元技術(shù)應(yīng)用
在機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的應(yīng)用場景中,往往環(huán)境復(fù)雜,面對物料種類多樣,且涉及到及土壤力學(xué)和散體力學(xué)方面的問題,這些都對建模和系統(tǒng)性的實驗造成了相當(dāng)大的阻礙。
離散元技術(shù)的實際運用中,中國吉林大學(xué)與太原重工有過合作,曾利用離散元技術(shù)進(jìn)行仿真分析研究,對象是75m3 機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗。這次仿真分析研究實現(xiàn)了鏟斗挖掘物料的過程可視化,同時分析了鏟斗動態(tài)力學(xué)響應(yīng)和松散物料在鏟斗內(nèi)的流動特性,為機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
離散單元法在求解與分析顆粒-結(jié)構(gòu)相互作用方面有著很大優(yōu)勢,同時,對特定物料的參數(shù),則需進(jìn)行專門的試驗取得。
2.3自動稱量技術(shù)應(yīng)用
在機(jī)械式挖掘機(jī)的鏟斗作業(yè)中,往往需要有專員來記錄裝載的車數(shù)并估算挖掘的產(chǎn)量,這樣不僅對人力的要求比較大,在估算產(chǎn)量方面也容易造成誤差。針對這種問題,太原重工開發(fā)了一套自動稱量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)有一種可編程邏輯控制器,能讀取提升和推壓電機(jī)的整個受力過程,并根據(jù)鏟斗位置和受力的情況,計算得出鏟斗內(nèi)物料的重量。
2.4智能控制技術(shù)應(yīng)用
當(dāng)前的鏟斗操作比較復(fù)雜,其過程中需要進(jìn)行十二到十八個動作,且全部動作需要人工來操作。這樣的操作往往費時費力,且精準(zhǔn)性較差。因此智能控制技術(shù)有很大的發(fā)展空間。
同時,礦用機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的工作環(huán)境往往十分復(fù)雜,在減小挖掘阻力和降低能耗的要求下,實時監(jiān)測技術(shù)也需要盡快的應(yīng)用于鏟斗上,這樣可以實時的了解鏟斗受力情況,達(dá)到智能化控制的要求。
目前,P&H公司的2300XP 型挖掘機(jī)的鏟斗已經(jīng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與實時分析聯(lián)合作業(yè)。不過,當(dāng)前鏟斗設(shè)計中的智能控制的可靠性還比較低,其應(yīng)用也因此受到一定的制約,所以在鏟斗的設(shè)計中,要逐步利用好當(dāng)前先進(jìn)的智能化控制技術(shù),使鏟斗的設(shè)計的智能化與技術(shù)一起不斷進(jìn)步。
總之,在礦用機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的原理設(shè)計中,一定要注重鏟斗的結(jié)構(gòu)的強度和剛度,保證鏟斗結(jié)構(gòu)形狀的合理,以此促使鏟斗在挖掘過程中減小阻力,并做到耐沖擊、抗磨損的效果。同時,先進(jìn)的設(shè)計理論的不斷出現(xiàn),與現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的融合,為鏟斗的設(shè)計方向提出了新的要求,未來鏟斗設(shè)計的發(fā)展也必然向著精準(zhǔn)化、智能化的方向加速前進(jìn)。
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DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.015
作者簡介:雷黎明(1982-),男,土家族,湖北長陽人,碩士在讀,教學(xué)辦主任,講師,高級技師。