机械式挖掘机工作装置数字化平台开发

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1、机械式挖掘机工作装置数字化平台开发第1章绪论1.1研究背景及意义世界经济的高速发展必然伴随着对固体能源和固体矿物资源需求量的增加。近年来，各国对煤炭、铁矿等矿产资源需求总量大幅增长，矿山开采程度不断加大。随着采矿规模迅速扩大，为提高开采效率和水平，采矿技术和装备水平也需要大力提高。矿山开采分露天开采和地下开采，而露天开采无论从技术、效率、还是经济上都具有明显的优越性，这就决定了它在开采方法选择上的优势。从世界范围来看，大部分陆地矿山资源都是通过露天开采方法获得的，尤其是俄罗斯、加拿大、秘鲁、智利、南非等矿产资源储存量丰富

2、的国家，露天开采的比例更大，平均接近90％。我国露天开采的产量比重约为：铁矿石占90％，有色金属矿石占52％，化工原料占71％，建材原料接近100％。煤炭开采中，发达国家露天开采产量约占总产量的40％～50％，而我国相对落后，露天煤矿的产量仅达10%以上[1-2]。随着目前数量众多的在建和规划的大型、特大型露天矿逐步建成投产，未来我国露天开采的产能比重将进一步提高。露天矿山的采矿剥离和采装作业主要由机械式挖掘机（也叫电铲）完成，可分为单斗挖掘机和多斗挖掘机两类。机械式挖掘机是露天矿山单斗-卡车间断开采工艺系统、半连续开采

3、工艺系统和连续开采工艺系统中必不可少的采装设备。目前，国内外露天矿大多采用单斗机械式挖掘机，根据推压装置不同，可分为以钢丝绳和齿轮齿条两种推压方式的机械式挖掘机。..1.2机械式挖掘机工作装置国内外研究现状机械式挖掘机作为露天矿最主要的采装设备，经历了漫长的发展过程，一直以来国内外众多生产商、科研院所等致力于对机械式挖掘机的研究和改进。机械式挖掘机主要由上部工作装置、中部回转平台及底部行走装置三部分组成，而工作装置是其最重要组成部分，用于完成对物料的剥离和采装，在作业过程中受力复杂，要克服工作装置本身和矿石自重、挖掘阻力

4、及其他附加载荷。工作装置本身性能的好坏直接关系到整机的性能和工作效率。目前国外机械式挖掘机的生产商主要有美国的PH公司、卡特彼勒（CAT）公司（收购BUCYRUS公司）、俄罗斯奥姆斯（OMZ）矿山设备公司、乌拉尔重型机械厂以及国内的太原重工股份有限公司等[7-8]。机械式挖掘机工作装置在多年的研究和发展过程中其机构的形态都未发生过变化，都是一个平面二自由度机构，主要由动臂、斗杆、铲斗、推压机构及提升钢丝绳等部件组成，工作装置挖掘过程时机身不动，动臂的倾角保持不变，由推压机构和提升机构共同作用来完成的。工作装置中应用最多的

5、是双梁动臂、单梁内斗杆和单梁动臂、双梁外斗杆这两种结构。对于双梁动臂、单梁内斗杆结构，斗杆多制成圆形截面，采用钢丝绳推压，这种斗杆有高强度免扭作用，同时也改善了动臂受扭的情况；对于单梁动臂、双梁外斗杆这种结构，双梁矩形截面斗杆可承受较大载荷，由于具有较大推压力，这种斗杆多用于大型机械式挖掘机[3,9-10]。第2章工作装置强度计算2.1引言工作装置是机械式挖掘机的执行机构，用于完成物料的剥离和采装作业，作业过程中工作装置受力复杂，其强度和可靠性直接影响到整机的作业性能。本章将针对机械式挖掘机工作装置在挖掘过程和回转过程分

6、别进行受力分析，给出挖掘阻力、提升力和推压力的计算方法，推导出关键部件动臂和斗杆各主要铰点受力公式及动臂和斗杆各典型危险截面应力计算公式，用于在挖掘机工作装置设计之初进行简单的力学性能分析及强度计算，具有较强工程实用意义。2.2挖掘作业时挖掘阻力计算机械式挖掘机铲斗挖掘过程中，受力复杂，铲斗所受到的挖掘阻力包括切削阻力和装料阻力。切削阻力主要来自三个方面：一是物料原始结构遭到破坏的阻力；二是物料的内摩擦力；三是物料与铲斗斗尖的摩擦阻力。实际挖掘过程中这三项阻力同时存在，不易区分，统一称之为切削阻力。装料阻力是指铲斗在物料

7、中运行时，会遇到物料进入斗内的阻力及带动料堆的阻力[3]。要想精确计算得到机械式挖掘机挖掘作业时斗尖的挖掘阻力是十分困难的，目前多是运用复杂的经验或试验公式。大多情况下将铲斗斗尖所受到的挖掘总阻力分解为沿斗尖运动轨迹的切向方向分力F和沿斗尖运动轨迹的法向方向分力nF，机械式挖掘机挖掘作业过程由提升机构、推压机构和回转机构的共同作用完成，一个作业循环由铲斗挖掘至推压轴高度、满斗回转至卸载点、卸载和空斗回转至挖掘点四个过程组成。选取工作装置挖掘过程及满斗回转至卸载过程中的典型位置对工作装置关键部件动臂和斗杆进行受力分析。..

8、第3章工作装置机构优化........253.1引言.........253.2设计变量.......253.3目标函数.......273.4约束条件.......293.5工作装置机构优化设计实例.....323.5.1工作装置性能参数及变量边界值.....323.5.2优化结果分析........323.6小结