廖津民

（馬來西亞世紀(jì)大學(xué)(SEGI University)，吉隆坡 哥打白沙羅 47810）

近年來，工程機(jī)械的發(fā)展十分迅速，尤其是我國的大工程項(xiàng)目的不斷向前推進(jìn)，尤其以挖掘機(jī)為代表的工程機(jī)械的需求量不斷增加。需求量不斷增加的同時(shí)，整體上對高性能高質(zhì)量的挖掘機(jī)的要求也是越來越高。而機(jī)械式挖掘機(jī)由于其傳動性能好、工作效率高，因此被廣泛運(yùn)用，在這個(gè)過程中挖掘機(jī)工作部分的損耗也是越來越高，尤其是對土壤、砂石等直接接觸的鏟斗損害更高。因此基于這個(gè)大環(huán)境下，設(shè)計(jì)出對于環(huán)境適應(yīng)性更好的挖掘機(jī)鏟斗將成為挖掘機(jī)發(fā)展的新方向。因此本文將主要對礦用機(jī)械式挖掘機(jī)的鏟斗進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對其原理進(jìn)行分析，通過對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整體性能的設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)出對環(huán)境適應(yīng)性更好的新型鏟斗，從而可以為今后的工程機(jī)械的發(fā)展提供方向。

1 礦用機(jī)械鏟斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 礦用機(jī)械鏟斗目前存在的問題

對于礦用機(jī)械鏟斗來說，目前遇到的問題主要有以下幾點(diǎn)。

（1）鏟斗斗齒的強(qiáng)度硬度與環(huán)境的適應(yīng)性較差。在對許多的鏟斗使用問題的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，目前的突出問題就是鏟斗斗齒的強(qiáng)度硬度不夠，在很多時(shí)候存在硬度較差從而造成鏟斗斗齒的崩齒現(xiàn)象。在一些惡劣的條件下，還會產(chǎn)生斗齒的齒根斷裂現(xiàn)象，這些的鏟斗斗齒在面對復(fù)雜多變的環(huán)境過程中出現(xiàn)的適應(yīng)性較差，從而產(chǎn)生的對齒根的破壞現(xiàn)象。

（2）鏟斗斗齒所受的阻力大，滿載系數(shù)低。鏟斗在進(jìn)行工作的過程中，由于受到鏟載物的影響，會給鏟斗一個(gè)相互作用的力，在這個(gè)過程中往往受到的阻力較大，這樣就會造成很大的困擾，滿載系數(shù)低，這個(gè)滿載系數(shù)低就是由于鏟斗斗齒在相互作用的過程中受到的阻力較大，無法真正的達(dá)到裝載的過程中實(shí)現(xiàn)滿載。如圖1所示。

圖1 鏟斗斗齒工作示意圖

（3）鏟斗的疲勞壽命較低，磨損嚴(yán)重。鏟斗另一個(gè)遭受到損害是由于斗齒的磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，由于鏟斗一直在進(jìn)行工作，在工作的過程中斗齒受到的沖擊是十分巨大的，最根本的還是齒的磨損，我們都知道斗齒是鏟斗進(jìn)行工作的關(guān)鍵部位，一旦齒磨損后，整個(gè)的鏟斗就會失去原有的作用，這樣就會產(chǎn)生一系列的問題，降低機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的工作效率，甚至?xí)霈F(xiàn)崩齒的現(xiàn)象。

1.2 鏟斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鏟斗斗體的設(shè)計(jì)是整個(gè)鏟斗設(shè)計(jì)的核心部分，對于斗體的設(shè)計(jì)首先要考慮的是減輕挖掘時(shí)的阻力，在這個(gè)過程中，要考慮到材質(zhì)、形狀、屈服強(qiáng)度等多種指標(biāo)，形狀大多數(shù)的鏟斗都是一樣的，這種形狀既可以實(shí)現(xiàn)最大范圍的鏟土，又可以盡可能地減小在鏟的過程中的阻力。而鏟斗的前齒要對物料進(jìn)行鏟削等動作。因此，在這個(gè)過程中要考慮的一個(gè)重要因素就是斗唇與斗前臂的傾角，也就是前傾角，對于傾角的選擇還是考慮以降低磨損為主，選擇一個(gè)合適的前傾角可以極大的降低斗齒的磨損程度，并且在這個(gè)過程中還會產(chǎn)生較大的沖擊力，并且在這個(gè)過程中要重點(diǎn)考慮鏟斗鏟物料的偏心現(xiàn)象，如圖2所示。從圖二中可以看出，整個(gè)鏟斗的偏心現(xiàn)象是根據(jù)鏟斗的總的長度以及鏟斗各個(gè)氣缸之間的中心距離等有關(guān)，以及鏟斗斗齒與氣缸之間的高度有關(guān)。

圖2 鏟斗的偏心現(xiàn)象

鏟斗的斗底來說，斗底要平滑過渡，為什么要將鏟斗的斗底設(shè)計(jì)成平滑過渡的呢，這是因?yàn)?，鏟斗在鏟物料的過程中需要暫時(shí)存儲，在這個(gè)過程中如果不能及時(shí)有效地將物料保存就會造成大量的物料泄漏現(xiàn)象，如果將鏟斗的斗底設(shè)計(jì)成平滑過渡的，就可以將物料盡量地向鏟斗的中心滑動，整個(gè)范圍的物料就完全包圍在鏟斗的斗底底部，這樣也會釋放壓力。另外，斗底設(shè)計(jì)成平滑過渡的還會提升整個(gè)斗底的剛度，剛度越大，整個(gè)鏟斗的鏟削所受的力也會變大。

2 機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗有限元分析與智能設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗有限元分析

由于鏟斗并不是獨(dú)立進(jìn)行工作的，它是由動臂以及斗桿的共同作用下進(jìn)行工作，因此，在對挖掘機(jī)鏟斗進(jìn)行有限元分析的過程中，要考慮到動臂以及斗桿的共同作用，只有這樣，才能真正地將仿真分析得更加合理有效。

臂和鏟斗的鉸接點(diǎn)處的曲線a，b，c和d定義為變量。使用Pro/MECHANIC模塊下的參數(shù)化功能將4個(gè)變量生成的aa1、bb1、cc1和dd1。根據(jù)動臂的實(shí)際情況進(jìn)行變量設(shè)置，并使整個(gè)的變量的變化范圍為±30mm。

在對動臂的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，不僅要考慮減小應(yīng)力值，而且還要考慮動臂的最小尺寸，以達(dá)到滿足使用要求和減小動臂尺寸的目的。動臂，因此要承受應(yīng)力。最小值和尺寸是動臂最佳設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。

并且動臂處于提升位置時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了減少動臂的質(zhì)量和動臂最大危險(xiǎn)位置的應(yīng)力值，軟件會建立5或者6個(gè)約束條件：通過ANSYS模塊中的優(yōu)化分析設(shè)計(jì)模塊，并根據(jù)優(yōu)化約束條件設(shè)置經(jīng)過25次迭代和敏感性分析后，經(jīng)過迭代計(jì)算，懸臂應(yīng)力云圖的優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。

圖3 鏟斗有限元分析云圖

根據(jù)圖3的云圖可以看出，當(dāng)懸臂上的力保持不變時(shí)，懸臂的最大作用力位置不變，但最大值減小到200MPa作用，并且懸臂和懸臂之間的鉸接點(diǎn)處的應(yīng)力也減小了。以其中一條曲線為例，優(yōu)化前后的應(yīng)力曲線如圖3所示。優(yōu)化前后的6個(gè)變量的大小變化如表所示。從圖中可以看出，優(yōu)化后變量的大小顯著減小，這不僅減輕了動臂的重量，而且節(jié)省了材料。

該研究對象使用ansys軟件中的優(yōu)化分析模塊分析動臂的應(yīng)力，并獲得鏟土位置處動臂的應(yīng)力變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，確定優(yōu)化參數(shù)，確定動臂的應(yīng)力。約束和目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，該方法的優(yōu)化效果明顯，為進(jìn)一步提高裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)質(zhì)量提供了一種簡單快捷的設(shè)計(jì)方法。

2.2 鏟斗的智能設(shè)計(jì)

當(dāng)前的鏟斗的操作比較復(fù)雜多變，往往完成一項(xiàng)任務(wù)就需要鏟斗幾十個(gè)動作，而這些動作的產(chǎn)生大多數(shù)是需要通過人工操作來完成，由于人工操作掌握的精度是十分有限的，為了追求高精度就需要進(jìn)行鏟斗的智能設(shè)計(jì)。本文進(jìn)行的智能設(shè)計(jì)主要是在工作裝置部分裝加監(jiān)測控制裝置，也就是如果鏟斗在工作的過程中出現(xiàn)偏離或者整個(gè)的工作出現(xiàn)紕漏的時(shí)候可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)調(diào)整，這樣借助這種智能化的結(jié)構(gòu)可以很好的提升容錯(cuò)率，也可以提高工作時(shí)鏟斗的精度，目前市面上已經(jīng)逐步設(shè)計(jì)出實(shí)時(shí)監(jiān)測與實(shí)時(shí)分析聯(lián)合作業(yè)的綜合設(shè)計(jì)。這樣極大地提高了機(jī)械式鏟斗精度低、犯錯(cuò)率高等缺點(diǎn)，這樣就可以很好地完成鏟斗的各個(gè)動作。但是目前由于智能化程度較低，對于實(shí)現(xiàn)更高水平需要的可靠性分析還不成熟不完善。因此，要想真正地對鏟斗進(jìn)行智能設(shè)計(jì)就需要將科技與專用的技術(shù)共同進(jìn)步，只有這樣，才能讓機(jī)械式鏟斗高質(zhì)量、高速度發(fā)展。

3 結(jié)語

綜上所述，本文通過介紹機(jī)械式挖掘機(jī)鏟斗的突出問題，鏟斗斗齒的強(qiáng)度硬度不夠，在很多時(shí)候存在硬度較差從而造成鏟斗斗齒的崩齒現(xiàn)象以及鏟斗一直在工作，在工作過程中，斗齒受到的沖擊是十分巨大的，最根本的還是齒的磨損現(xiàn)象嚴(yán)重。通過對這些突出問題分析后，對機(jī)械式鏟斗的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)尤其是對核心結(jié)構(gòu)斗體的設(shè)計(jì)，然后，對鏟斗以及傳動部分整體進(jìn)行有限元分析，從而為將來的智能設(shè)計(jì)提供幫助。