反鏟挖掘機鏟斗設計及仿真分析研究

摘要：在液壓挖掘機結構組成中，鏟斗是液壓挖掘機對物料進行挖掘和裝卸的重要工具。在鏟斗設計過程中，要保證足夠的強度和耐磨性。介紹反鏟挖掘機鏟斗結構設計原則、鏟斗斗形設計、鏟斗斗容計算。采取有限元分析仿真優化方法，得到以下結論：在正載有限元分析中，鏟斗安全系數要在2.0以上;在底部沖擊載荷中，鏟斗安全系數在3.0以上，滿足設計要求。若出現應力較大情況，可采取適當改變鏟斗斗形或增加材料板厚等方法進行鏟斗優化。

關鍵詞：挖掘機;鏟斗設計;仿真分析

1" "鏟斗概述

反鏟挖掘機鏟斗種類繁多，按照功能可以分為標準鏟斗和特殊作業鏟斗。標準鏟斗主要包括土方鏟斗和巖石鏟斗。土方鏟斗主要用來挖掘疏松物料，巖石鏟斗主要用來挖掘山石物料等。特殊作業鏟斗包括篩分鏟斗、窄幅鏟斗、傾斜鏟斗、V型鏟斗等。

小型挖掘機功率和挖掘力較小，常配備土方鏟斗和窄幅鏟斗。中型挖掘機兼顧土方和巖石作業，功率較大，常配備土方鏟斗和巖石鏟斗。大型挖掘機功率大，主要用于礦山作業，配備巖石鏟斗。鏟斗組成如圖1所示。

2" "鏟斗設計

2.1" "鏟斗設計原則

鏟斗的設計原則是在符合挖掘機整體設計要求及挖掘機總體性能要求的基礎上，結合客戶的各種實際使用工況而進行設計的。在具體的設計過程中應遵循以下幾條原則：

一是鏟斗的形狀有利于物料的自由流動。即在鏟斗挖掘時，使裝進鏟斗的物料不易掉出。在鏟斗卸載時，使物料易于卸凈。基于以上要求，鏟斗內壁不宜設計橫向凸緣、棱角等。二是鏟斗的整體設計以保障強度為主，保證鏟斗不開裂，使用壽命長。三是鏟斗耳板總成連接斗桿，耳板總成的設計需要以剛度為主，保證變形較小。四是鏟斗在挖掘工況中，摩擦面積要小，以使作業時切入阻力更小。五是鏟斗的容積要大，外表體積要小。六是鏟斗的硬度要高，耐磨性、韌性、耐沖擊性要好。

2.2" "鏟斗斗形設計

挖掘機配置的標準鏟斗，一般適應于挖掘或裝載沙、礫石和黏土（比重小于1800kg/m³）等。鏟斗斗形設計一般包括兩種：一種是鏟斗的形狀設計采用一個內切圓與兩條相切直線組成，如圖2所示。另一種是鏟斗的形狀設計采用兩個內切圓與兩條相切直線組成，如圖3所示。

第一種斗形結構的優點是易于裝卸粘性物料，缺點是鏟斗底部曲率半徑大，相應容積小，表面體積大，張口大相應強度低。標準鏟斗和輕作業鏟斗可以采用此結構形式。第二種斗形結構的優點是鏟斗底部曲率半徑小 ，相應容積大，表面體積小，張口小相應強度高。缺點是粘性物料不易卸凈。一般巖石鏟斗和窄幅重作業鏟斗大多采用此結構形式。 鏟斗斗形確定后，可根據鏟斗設計原則確定其他附屬零件。

2.3" "鏟斗斗容計算

鏟斗斗形設計完成后，即可計算確定鏟斗的斗容，即鏟斗容量。鏟斗斗容計算方法如圖4和5所示。一般來講，鏟斗斗容等于平裝斗容與堆尖斗容之和。計算堆尖斗容時，可根據棱柱體積計算（見圖4）。

當標定平面的X/Y≥12時，平裝斗容V_S則可按式（1）計算：

V_S=S×W （1）

當標定平面的X/Y<12時，平裝斗容VS則可按式（2）計算：

V_S=S×W（1-X/Y ） （2）

式中S為鏟斗側面板正投影的面積，以標定平面為邊界;W為鏟斗質心處鏟斗截面內部寬度。

3" "鏟斗有限元分析

在挖掘機工作時，鏟斗與物料直接接觸，工況十分惡劣。在鏟斗設計完成后，可將挖掘機最大挖掘力作為鏟斗載荷模擬實際鏟斗挖掘工況。在有限元前處理中，將鏟斗兩處銷軸采用銷軸固定，對鏟斗主刀板施加最大挖掘力。鏟斗底板采用2D網格單元，主刀板和側刃板、底后板、耳板采用3D實體單元。有限元分析應力結果如圖6和圖7所示。

在反鏟挖掘機結構中，鏟斗主體材料大多采用Q355B。通過以上有限元分析可知：在正載有限元分析中，鏟斗安全系數要在2.0以上;在底部沖擊載荷中，鏟斗安全系數在3.0以上，滿足設計要求。若出現應力較大情況，可采取適當改變鏟斗斗形或增加材料板厚等方法進行鏟斗優化。

4" "結論

在液壓挖掘機結構組成中，鏟斗是液壓挖掘機對物料進行挖掘和裝卸的重要工具。在鏟斗設計過程中，要保證足夠的強度和耐磨性。本文介紹了鏟斗設計的分類以及組成，同時闡述了鏟斗設計的原則、設計斗形以及鏟斗斗容的計算方法。最后，采用有限元分析方法，對設計的虛擬鏟斗進行驗證以及優化處理方法，使鏟斗設計滿足挖掘機整機設計要求。此分析研究可為反鏟挖掘機的設計以及優化提供參考依據。

參考文獻

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