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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)中的應(yīng)用，為鏟斗的結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)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

0　前言

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(yùn)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(yùn)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(jì)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(jì)，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(jì)進(jìn)行研究。當(dāng)前，國外已經(jīng)有比較成熟的設(shè)計(jì)理念和分析手段了，如一些主流的設(shè)計(jì)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(jì)，并利用有限元等現(xiàn)代技術(shù)對鏟斗的強(qiáng)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(jì)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。

1　機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

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(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(jì)如若缺乏針對性的設(shè)計(jì)，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(jì)進(jìn)行分析，合理設(shè)計(jì)。只有合乎標(biāo)準(zhǔn)的鏟斗設(shè)計(jì)，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(jì)中，也要注意保證結(jié)構(gòu)的簡單與鏟斗強(qiáng)度的關(guān)系，在保證強(qiáng)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(jì)中需要注意的問題。

2　鏟斗設(shè)計(jì)工作中的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(yàn)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(shí)驗(yàn)造成了相當(dāng)大的阻礙。

離散元技術(shù)的實(shí)際運(yùn)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(shí)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(jì)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(yàn)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(jì)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(fèi)時費(fèi)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與實(shí)時分析聯(lián)合作業(yè)。不過，當(dāng)前鏟斗設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的智能化與技術(shù)一起不斷進(jìn)步。

3　結(jié)語

總之，在礦用機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的原理設(shè)計(jì)中，一定要注重鏟斗的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(jì)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(jì)方向提出了新的要求，未來鏟斗設(shè)計(jì)的發(fā)展也必然向著精準(zhǔn)化、智能化的方向加速前進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］侯亞娟，畢秋實(shí)，張永明，李愛峰.大型礦用挖掘機(jī)鏟斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其可視化［J］.工程機(jī)械，2014（06）:33-38+7-8.

［2］侯亞娟，王吉生，李愛峰，李婧錫.離散元法及其在鏟斗設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.工程機(jī)械，2014（04）:23-29+91.

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。