許玉明，王曉明，薛 紅

(太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024)

礦用機械式挖掘機鏟斗的原理設計

許玉明，王曉明，薛 紅

(太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024)

鏟斗是礦用機械式挖掘機基本部件之一，鏟斗性能、形狀、幾何參數(shù)合理與否直接影響挖掘阻力和滿斗系數(shù)。根據(jù)挖掘性能要求，確定了鏟斗形狀、幾何參數(shù)；通過分析鏟斗的力學性能，將斗體簡化成簡支外伸梁，分別求得鏟斗在寬度、長度方向的相關鉸點距離，并與實例計算進行比較；運用沖擊理論，提出合理沖擊點，使鏟斗軸套受力最小。

挖掘機；原理設計；鏟斗

0 引言

挖掘機工作過程中大部分能量消耗在挖掘物料上，因此，應從研究鏟斗入手，降低挖掘物料的能耗。鏟斗主要由斗體、斗底、提梁裝置、斗底緩沖裝置、拉桿、斗齒、護套以及各連接銷軸等組成。由于鏟斗的重量和成本只占整個機器的很少部分(約5%)，因此如何確定其形狀、幾何參數(shù)，達到降低能耗的目的一直困惑設計者，本文從鏟斗的設計原理出發(fā)，提出合理確定這些參數(shù)的方法。

1 鏟斗結構設計

鏟斗的結構設計要解決的問題是：①保證鏟斗有足夠的強度與剛度；②鏟斗的結構形狀合理，應使挖掘阻力小，滿斗系數(shù)高，易卸載；③耐沖擊，抗磨損，更換易損件方便。

鏟斗斗體的四壁由于工作中受力狀態(tài)及其作用不同，要求也不同。鏟斗前壁直接進行物料切削，所以其前部應向前凸并向下凹，即斗唇與斗前壁有合理的傾角，隨切削物料不同，傾角也不同，以利于切削和減少前壁的磨損為宜。同時，為使鏟斗易于切入物料，切削力增加緩和，減少切削時偏心力的作用，往往把前壁的中間齒向前凸出一些。鏟斗的后壁與斗桿、拉桿相連，并支承整個斗體。為了便于卸出物料，斗底應做成平滑表面。斗底承載裝入斗中物料的重量，要有足夠的強度，同時當卸載完畢時，斗底依靠自重將斗底合上，依靠斗底緩沖裝置，與斗體有輕微的碰撞，這就要求斗底要有足夠的剛度。斗體有兩個側面，是連接前壁與后壁形成一個方形框體的部分，采用∏型前壁和后壁加上墊板后焊接在一起，在保證焊接工藝要求的前提下，同時為了消除焊接應力，焊后應整體退火。

鏟斗的形狀逐步由工程上的近似正方型的斗形向矩形、梯形發(fā)展，梯形斗的優(yōu)點如下：避免了空斗(充填系數(shù)>100%，通常達到110% )；易于插入掌子面并減少拖拽；具有優(yōu)化的切削角；提高效率并減少推土機操作；斗邊溢料最小。

圖1為梯形鏟斗示意圖，虛線代表傳統(tǒng)的矩形鏟斗，白色部分是公司獨特設計，可提高額外生產(chǎn)率。

圖1 梯形鏟斗示意圖

2 鏟斗的主要幾何參數(shù)及相關鉸點距離確定

鏟斗的主要幾何參數(shù)是鏟斗的內(nèi)寬、高、長；在鏟斗寬度、長度方向上的兩鉸點(斗桿、拉桿)距離。鏟斗尺寸示意圖見圖2。確定鏟斗幾何參數(shù)的原則是：滿足斗容積、切削力盡量小的要求；斗后壁受力均勻。

圖2 鏟斗尺寸示意圖

2.1 鏟斗幾何參數(shù)確定

按切削能力計算斗內(nèi)寬，即:

V=b·c·H.

(1)

其中：V為鏟斗容積，m3；b為斗內(nèi)寬，m；H為推壓軸高度，m，H按采裝工藝確定[1]，H=(0.5～0.6)臺階高度；c為切削厚度，m，令c=k·b，k為切削厚度與斗內(nèi)寬比的系數(shù)，k=0.17～0.33。

由式(1)可得：

斗內(nèi)高h(m)由下式計算：

h=k1·b.

(2)

其中：k1為斗內(nèi)高系數(shù)，取0.6～0.85。

斗內(nèi)長L(m)由下式計算：

L=k2·b.

(3)

其中：k2為斗內(nèi)長系數(shù)，取0.7～0.72。

2.2 鏟斗的相關鉸點距離確定

2.2.1 斗桿與鏟斗后壁在寬度方向的兩鉸點之距l(xiāng)

l是指斗桿與鏟斗后壁在寬度方向的兩個連接鉸點A、B之距，是確定兩斗桿中心寬的依據(jù)。將這兩個連接鉸點作為兩個懸掛的支撐點，簡化成簡支兩端外伸梁結構，載荷(含物料反力)的法向分力q作用在斗齒尖上，并認為是均布載荷。鏟斗的受力簡圖、剪力與彎矩圖如圖3所示。設RA和RB分別為A、B兩點的支反力，則有：

其中：a為鏟斗寬度方向內(nèi)側一邊到同側斗桿中心的距離。

設簡支梁上一點到左端的距離為z，則z處的剪力Q的計算公式如下：

圖3 鏟斗的受力簡圖、剪力圖與彎矩圖

彎矩M的計算公式如下：

對上式求導，得最大扭矩：

l=b-2a.

(4)

2.2.2 斗桿與拉桿分別與鏟斗連接的兩鉸點之距離l2

l2=L-2a2=L-2×0.2L=0.6L.

(5)

3 斗底撞擊中心的確定

在卸載過程中，由于頻繁開、關斗底，使連接斗底和斗體的銷軸受到撞擊，加快其磨損。若確定斗底的撞擊中心，可使軸套處受到的撞擊沖量很小甚至為零。斗底的撞擊中心計算簡圖見圖4，其中將斗底簡化為桿件，點O為鏟斗斗底繞斗體的旋轉中心。

圖4 斗底的撞擊中心計算簡圖

斗底從與斗體夾角為β的位置自由下落，與斗體碰撞，應用動能定理有：

(6)

其中：Jo為斗底(視為桿件)的轉動慣量，kg·m2；m為斗底的質(zhì)量，kg；ω1為碰撞開始時斗底的角速度，rad/s；ω2為碰撞結束時斗底的角速度，rad/s；d為斗底旋轉中心到質(zhì)心的距離，m。因斗底開始落下時的角速度ω0=0，故：

(7)

在撞擊點碰撞結束時的角速度由碰撞開始時的角速度和恢復因數(shù)可求得：

ω2=k3ω1.

(8)

其中：k3為恢復因數(shù)。

對點O，由沖量矩定理有：

Joω2+Joω1=In.

(9)

其中：I為碰撞沖量；n為旋轉中心O到碰撞中心的距離。

根據(jù)沖量定理，有：

(10)

其中：Iox為旋轉點O的水平碰撞沖量；Ioy為旋轉點O的垂直碰撞沖量。

根據(jù)式(6)～式(10)可得：

分別將斗桿簡化為均質(zhì)桿和非均值桿進行分析：

鋼對鋼時，由參考文獻[2]取恢復因數(shù)k3=5/9。

以某機械式挖掘機43 m3鏟斗為例，d=1.67 m，則撞擊參數(shù)計算結果如表1所示。

表1 撞擊參數(shù)計算表

(2) 將斗底簡化為非均質(zhì)桿，則：

其中：T為斗底的擺動周期，s。

計算轉動慣量Jo是通過測定斗底的擺動周期[3]求得的，這時可推導得到撞擊參數(shù)的計算公式如下：

4 結論

經(jīng)上述分析與計算，可得出以下結論：①從設計原理出發(fā)，確定鏟斗的幾何參數(shù)，有普遍指導意義；②通過對拉桿長短對挖掘機鏟斗的影響，為以后設計挖掘機鏟斗提供了依據(jù)；③計算斗底的撞擊中心與距離，為設計斗底緩沖裝置提供有力幫助。

[1] 康晶晶.大型挖掘機工作裝置優(yōu)化設計[D].沈陽：東北大學，2007：30-31.

[2] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學[M].北京：高等教育出版社，2002.

Principle Design of Electric Rope Shovel Dipper

XU Yu-ming, WANG Xiao-ming, XUE Hong

(Technical Center of Taiyuan Heavy Industry Co., Ltd ., Taiyuan 030024, China)

The dipper is one of basic parts for electric rope shovel, the performance, shape and geometrical parameters of dipper are reasonable or not directly affects the digging resistance and coefficient. According to the mining performance requirements, the shape and geometry parameters of dipper are determined; Through the analysis of the mechanical properties of dipper, the body of dipper is simplified to a simply supported overhanging beam. The relevant hinge point distances at the directions of dipper width and length are respectively obtained, and compared with the results coming from practical calculation; By use of impact theory, the reasonable impact point is put forward, to make the force on the dipper bushing bearing minimized. This work may provide effective help for preliminary design of dipper.

electric rope shovel; principle design; dipper

1672- 6413(2015)06- 0084- 03

國家863計劃項目(2012AA062001)

2015- 04- 01；

2015- 09- 20

許玉明(1984-)，男，山西大同人，工程師，碩士，主要從事礦山機械的設計開發(fā)工作。

TD422.2

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