礦用機械式挖掘機鏟斗的原理設計探討

廖津民

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

近年來，工程機械的發展十分迅速，尤其是我國的大工程項目的不斷向前推進，尤其以挖掘機為代表的工程機械的需求量不斷增加。需求量不斷增加的同時，整體上對高性能高質量的挖掘機的要求也是越來越高。而機械式挖掘機由于其傳動性能好、工作效率高，因此被廣泛運用，在這個過程中挖掘機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。因此基于這個大環境下，設計出對于環境適應性更好的挖掘機鏟斗將成為挖掘機發展的新方向。因此本文將主要對礦用機械式挖掘機的鏟斗進行設計，通過對其原理進行分析，通過對其結構設計以及整體性能的設計，從而設計出對環境適應性更好的新型鏟斗，從而可以為今后的工程機械的發展提供方向。

1 礦用機械鏟斗的結構設計

1.1 礦用機械鏟斗目前存在的問題

對于礦用機械鏟斗來說，目前遇到的問題主要有以下幾點。

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

（2）鏟斗斗齒所受的阻力大，滿載系數低。鏟斗在進行工作的過程中，由于受到鏟載物的影響，會給鏟斗一個相互作用的力，在這個過程中往往受到的阻力較大，這樣就會造成很大的困擾，滿載系數低，這個滿載系數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，無法真正的達到裝載的過程中實現滿載。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，磨損嚴重。鏟斗另一個遭受到損害是由于斗齒的磨損現象嚴重，由于鏟斗一直在進行工作，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行工作的關鍵部位，一旦齒磨損后，整個的鏟斗就會失去原有的作用，這樣就會產生一系列的問題，降低機械式挖掘機鏟斗的工作效率，甚至會出現崩齒的現象。

1.2 鏟斗的結構設計

鏟斗斗體的設計是整個鏟斗設計的核心部分，對于斗體的設計首先要考慮的是減輕挖掘時的阻力，在這個過程中，要考慮到材質、形狀、屈服強度等多種指標，形狀大多數的鏟斗都是一樣的，這種形狀既可以實現最大范圍的鏟土，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行鏟削等動作。因此，在這個過程中要考慮的一個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，并且在這個過程中還會產生較大的沖擊力，并且在這個過程中要重點考慮鏟斗鏟物料的偏心現象，如圖2所示。從圖二中可以看出，整個鏟斗的偏心現象是根據鏟斗的總的長度以及鏟斗各個氣缸之間的中心距離等有關，以及鏟斗斗齒與氣缸之間的高度有關。

圖2 鏟斗的偏心現象

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計成平滑過渡的呢，這是因為，鏟斗在鏟物料的過程中需要暫時存儲，在這個過程中如果不能及時有效地將物料保存就會造成大量的物料泄漏現象，如果將鏟斗的斗底設計成平滑過渡的，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，斗底設計成平滑過渡的還會提升整個斗底的剛度，剛度越大，整個鏟斗的鏟削所受的力也會變大。

2 機械式挖掘機鏟斗有限元分析與智能設計

2.1 機械式挖掘機鏟斗有限元分析

由于鏟斗并不是獨立進行工作的，它是由動臂以及斗桿的共同作用下進行工作，因此，在對挖掘機鏟斗進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。

臂和鏟斗的鉸接點處的曲線a，b，c和d定義為變量。使用Pro/MECHANIC模塊下的參數化功能將4個變量生成的aa1、bb1、cc1和dd1。根據動臂的實際情況進行變量設置，并使整個的變量的變化范圍為±30mm。

在對動臂的設計進行優化時，不僅要考慮減小應力值，而且還要考慮動臂的最小尺寸，以達到滿足使用要求和減小動臂尺寸的目的。動臂，因此要承受應力。最小值和尺寸是動臂最佳設計的目標函數。

并且動臂處于提升位置時優化設計。為了減少動臂的質量和動臂最大危險位置的應力值，軟件會建立5或者6個約束條件：通過ANSYS模塊中的優化分析設計模塊，并根據優化約束條件設置經過25次迭代和敏感性分析后，經過迭代計算，懸臂應力云圖的優化結果如圖3所示。

圖3 鏟斗有限元分析云圖

根據圖3的云圖可以看出，當懸臂上的力保持不變時，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處的應力也減小了。以其中一條曲線為例，優化前后的應力曲線如圖3所示。優化前后的6個變量的大小變化如表所示。從圖中可以看出，優化后變量的大小顯著減小，這不僅減輕了動臂的重量，而且節省了材料。

該研究對象使用ansys軟件中的優化分析模塊分析動臂的應力，并獲得鏟土位置處動臂的應力變化規律，并在此基礎上，確定優化參數，確定動臂的應力。約束和目標函數進行了優化。仿真結果表明，該方法的優化效果明顯，為進一步提高裝載機工作裝置的設計質量提供了一種簡單快捷的設計方法。

2.2 鏟斗的智能設計

當前的鏟斗的操作比較復雜多變，往往完成一項任務就需要鏟斗幾十個動作，而這些動作的產生大多數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行鏟斗的智能設計。本文進行的智能設計主要是在工作裝置部分裝加監測控制裝置，也就是如果鏟斗在工作的過程中出現偏離或者整個的工作出現紕漏的時候可以及時地發現調整，這樣借助這種智能化的結構可以很好的提升容錯率，也可以提高工作時鏟斗的精度，目前市面上已經逐步設計出實時監測與實時分析聯合作業的綜合設計。這樣極大地提高了機械式鏟斗精度低、犯錯率高等缺點，這樣就可以很好地完成鏟斗的各個動作。但是目前由于智能化程度較低，對于實現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行智能設計就需要將科技與專用的技術共同進步，只有這樣，才能讓機械式鏟斗高質量、高速度發展。

3 結語

綜上所述，本文通過介紹機械式挖掘機鏟斗的突出問題，鏟斗斗齒的強度硬度不夠，在很多時候存在硬度較差從而造成鏟斗斗齒的崩齒現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象嚴重。通過對這些突出問題分析后，對機械式鏟斗的結構進行設計尤其是對核心結構斗體的設計，然后，對鏟斗以及傳動部分整體進行有限元分析，從而為將來的智能設計提供幫助。