機械式礦用挖掘機動臂結構優化設計研究

林福泰

摘要：本文通過對機械式礦用挖掘機動臂結構工作裝置以及各構件之間運動關系的分析，確定機械式礦用挖掘機動臂結構，根據實際應用情況，對動臂結構進行優化方案的設計，使其可以滿足更多挖掘任務。

關鍵詞：機械式;礦用挖掘機;動臂結構;優化設計研究

前言

機械式礦用挖掘機的應用大大降低了挖掘的難度，同時提高了工程加工的進度，但是針對具有較高難度的挖掘工作，還需要機械式礦用挖掘機具有良好的動臂結構，可以靈活的變換。基于此，需要從動臂結構的工作裝置、行走裝置和回轉裝置對其進行優化設計，降低各結構構件尺寸對整體運行的影響，使動臂結構可以與挖掘任務形成統一的挖掘軌跡，提高挖掘工作的綜合質量。動臂是礦用挖掘機工作裝置的主要構件，對其進行優化設計，既可以提高工程挖掘進度，又可以提高工作裝置的整體性能，所以使用者要積累更多的挖掘工作經驗，明確各組件之間的協調關系，提高設計水平和分析效率。

1.機械式礦用挖掘機動臂結構工作裝置的運動學分析

1.1運動學對礦用挖掘機理想挖掘軌跡的影響

在礦用挖掘機實際工作的過程中，斗齒尖端會在挖掘工作面產生一條自下而上的跡線，這條軌跡會受到動臂結構工作裝置運動學的影響，因為在齒尖運行的過程中，會形成固定的挖掘軌跡，而動臂結構為了簡化挖掘的難度，會減小挖掘阻力，然而，鏟斗的切削角度很難保持不變，挖掘軌跡自然會發生變化。鏟斗在完成一次完整的挖掘行為后，挖掘初始位置會隨著鏟斗伸出長度的變化而變化，這時，任一時刻的斗桿伸出長度都會改變轉角的角度，所以礦用挖掘機動臂結構的優化設計必須結合實際的挖掘工作，對各個運行運動過程進行充分的分析，進而明確挖掘軌跡控制的方法[1]。

1.2工作裝置動力學參數的確定

工作裝置動力學參數的確定內容主要包括：提升機構提升速度的分析、推壓機構推壓速度的分析、挖掘機挖掘阻力的分析、鋼絲繩與天輪切點坐標的分析。其中，提升機構提升速度的分析主要針對礦用挖掘機鏟斗初始位置的變化位置。推壓機構推壓速度的分析需要結合礦用挖掘機的一個完整工作循環，確定斗桿的推出量，然后以推壓機構推壓軸回轉速度為主要依據，明確推壓軸驅動的回轉角速度[2]。挖掘機挖掘阻力的分析是在鏟斗挖掘作業中，結合鏟斗受到的切削阻力和裝土阻力，確定準確的挖掘總阻力和兩個分力對挖掘工作的影響力度，實際需要分析的數據包括：鏟斗切削邊寬度、切削層厚度、挖掘比阻力。鋼絲繩與天輪切點坐標的分析需要根據挖掘工作的物理模型，對挖掘過程中各個構件之間的相互運動特征進行描述，確定提升鋼繩位置是否與天輪保持在相切的關系中，在切點位置時刻變化的過程中，變化的程度是否會影響到分析結果的準確性，這都是鋼絲繩與天輪切點坐標分析的主要內容[3]。

2.機械式礦用挖掘機動臂結構優化設計研究內容

2.1基于APDL的結構優化設計分析

基于基于APDL的結構優化設計需要正確選擇設計的方法，其中，APDL軟件可以從零階開始優化，求得一個函數來表示完成空間的擬合目標，這種優化結構形式得到的優化值可以更加準確的反映出動臂結構的特點和優勢。根據機械式礦用挖掘機實際的使用需求，在對運行狀態變量、設計變量分析的過程中，一定要確定程序的準確性和安全性，狀態變量要能對設計變量進行控制，優化求解的途徑也要體現出多樣性，這樣才能滿足復雜挖掘任務的應用需求[2]。

2.2動臂結構優化設計的過程分析

在APDL結果優化結束之后，需要對機械式礦用挖掘機動臂結構進行優化設計，實際的設計流程是：首先，需要對變量進行初始化設計，初始化設計變量會根據參數化類型建模，通過加載和求解提取出分析結果并指定優化變量，然后，把變量添加到指定的優化分析文件中，通過OPT的作用，整個優化過程進入到優化參數的評價階段，如果評價結果為非最優解，則優化數據會再次進入到指定的優化分析文件中，通過OPT的作用，則會再次進入到評價模式，對優化文件進行評價[5]。最后，最優解通過收斂作用退出OPT程序，得到最終的設計結果，這種動臂結構優化設計的過程準確，利用現代化科學技術，更加明確的體現出了設計的重點和流程，有利于設計人員及時調整設計方案。

3.結語

在上文分析的內容中，筆者結合機械式礦用挖掘機動臂運行與運動學之間的關系，指出了運動學對挖掘機軌跡和運行過程的影響程度，基于此，設計出動臂結構的優化流程和內容。基于實際運行情況設計的優化結構可以滿足實際應用需求，針對技術問題也可以更好的利用現代化技術進行解決，體現出了高效的控制能力。

參考文獻：

[1]邸麗偉，周光明，張麗敏，等.機械式礦用挖掘機動臂結構優化設計研究[J].吉林大學學報（社會科學版），2013，01（23）：230-233.

[2]盧雄偉，張志明，陳思明，等.8m～3礦用挖掘機工作裝置優化設計及結構強度分析[J].吉林大學學報，2013，02（34）：120-122.

[3]王得勝，李德龍，楊世鑫，等.12m～3機械式礦用挖掘機履帶架強度和剛度分析研究[J].華中科技大學學報，2013，（19）：129-133.

[4]邸麗偉，孔德文，任友佳，等.基于虛擬樣機技術的機械式礦用挖掘機工作裝置參數優化設計[J].建筑機械，2013，01（23）：178-182.

[5]劉海燕，林述溫，高光玉，等.優化過程知識引導的挖掘機動臂結構優化設計新策略[J].中國工程機械學報，2013，03（15）：228-233.