礦用機械式挖掘機鏟斗的原理設計探討

雷黎明（荊州職業技術學院，湖北　荊州　434020）

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礦用機械式挖掘機鏟斗的原理設計探討

雷黎明
（荊州職業技術學院，湖北荊州434020）

摘要：鏟斗是挖掘機的重要組成部分，其對挖掘生產的效率有著決定性的影響，同時，鏟斗的設計對挖掘機的穩定性也是十分重要的。本文將簡單介紹一些礦用機械式挖掘機鏟斗的設計要求，并介紹一些如離散元、智能控制等先進技術，在鏟斗設計中的應用，為鏟斗的結構合理設計和提高鏟斗效率的提高提供一些參考。

關鍵詞：礦用；機械式挖掘機；鏟斗；原理探討

0　前言

挖掘機是用鏟斗挖掘高于或低于承機面的物料，并裝入運輸車輛或卸至堆料場的土方機械。挖掘機挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及經過預松后的土壤和巖石。近來，挖掘機的發展較快，已經成為工程建設中最主要的工程機械之一。由于機械式挖掘機的生產效率比較高，運行穩定性優良，所以被廣泛的應用于采礦作業中。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，因此鏟斗的設計方面應該予以足夠的重視。

礦用機械式挖掘機鏟斗的設計，直接關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，因此也有必要對機械式挖掘機鏟斗的設計進行研究。當前，國外已經有比較成熟的設計理念和分析手段了，如一些主流的設計鏟斗的公司，分別針對鏟斗挖掘物料的不同來進行不同的設計，并利用有限元等現代技術對鏟斗的強度和效率等待呢個進行分析。觀之國內，目前還處于起步階段，其設計與分析還采用借鑒模仿的方式。在這方面國內還有很長的一段路要走。

1　機械式挖掘機鏟斗的結構設計特點

通常來說，常見的機械式挖掘機的鏟斗由斗體、斗唇、斗齒、斗底及一些耳板、護板焊接而成的。鏟斗斗體應保證足夠的強度和剛度，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。磨損較為嚴重，所以在斗齒的材料選擇上應采用耐磨鑄件；斗底的作用主要是承載物料，斗底還設置有開斗機構，可便于物料的卸出。

在礦用機械式挖掘機鏟斗的設計中，需要綜合考慮下面幾個因素：（1）需要保證鏟斗有足夠的強度與剛度，礦用機械式挖掘機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，礦用機械式挖掘機鏟斗的設計如若缺乏針對性的設計，往往造成鏟斗壽命的縮減。（2）需要對鏟斗的結構設計進行分析，合理設計。只有合乎標準的鏟斗設計，才能保證鏟斗的形狀合理，在減小挖掘時，可以使阻力達到最小，同時，合理的形狀也是對鏟斗的物料卸出十分便利的。（3）在礦用機械式挖掘機鏟斗的設計中，也要注意保證結構的簡單與鏟斗強度的關系，在保證強度的同時，做到最大的裝卸量和便于維修更換，也是在設計中需要注意的問題。

2　鏟斗設計工作中的先進技術應用

當前科技的發展，也帶動了很多行業的發展，在鏟斗的設計中，很多先進而成熟的技術被引入進來，如有限元技術、離散元技術、自動稱量技術和智能控制技術的等等。這些技術的應用，直接減少了鏟斗設計周期，提高了鏟斗性能，對機械式挖掘機的鏟斗整體技術的提高都起到了很好的促進作用。

2.1有限元技術應用

當前，對機械式的挖掘機鏟斗的設計上，VR Steel公司用有限元分析的技術對其進行應力分析，這中分析設計和其后的使用，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公司應用有限元分析，并結合試驗樣機、變形測量等等技術，在機械式挖掘機鏟斗性能提升上得到很大發展。

2.2離散元技術應用

在機械式挖掘機鏟斗的應用場景中，往往環境復雜，面對物料種類多樣，且涉及到及土壤力學和散體力學方面的問題，這些都對建模和系統性的實驗造成了相當大的阻礙。

離散元技術的實際運用中，中國吉林大學與太原重工有過合作，曾利用離散元技術進行仿真分析研究，對象是75m3 機械式挖掘機鏟斗。這次仿真分析研究實現了鏟斗挖掘物料的過程可視化，同時分析了鏟斗動態力學響應和松散物料在鏟斗內的流動特性，為機械式挖掘機鏟斗的結構設計提供參考。

離散單元法在求解與分析顆粒-結構相互作用方面有著很大優勢，同時，對特定物料的參數，則需進行專門的試驗取得。

2.3自動稱量技術應用

在機械式挖掘機的鏟斗作業中，往往需要有專員來記錄裝載的車數并估算挖掘的產量，這樣不僅對人力的要求比較大，在估算產量方面也容易造成誤差。針對這種問題，太原重工開發了一套自動稱量系統。這種系統有一種可編程邏輯控制器，能讀取提升和推壓電機的整個受力過程，并根據鏟斗位置和受力的情況，計算得出鏟斗內物料的重量。

2.4智能控制技術應用

當前的鏟斗操作比較復雜，其過程中需要進行十二到十八個動作，且全部動作需要人工來操作。這樣的操作往往費時費力，且精準性較差。因此智能控制技術有很大的發展空間。

同時，礦用機械式挖掘機鏟斗的工作環境往往十分復雜，在減小挖掘阻力和降低能耗的要求下，實時監測技術也需要盡快的應用于鏟斗上，這樣可以實時的了解鏟斗受力情況，達到智能化控制的要求。

目前，P&H公司的2300XP 型挖掘機的鏟斗已經可以實現遠程監控與實時分析聯合作業。不過，當前鏟斗設計中的智能控制的可靠性還比較低，其應用也因此受到一定的制約，所以在鏟斗的設計中，要逐步利用好當前先進的智能化控制技術，使鏟斗的設計的智能化與技術一起不斷進步。

3　結語

總之，在礦用機械式挖掘機鏟斗的原理設計中，一定要注重鏟斗的結構的強度和剛度，保證鏟斗結構形狀的合理，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，先進的設計理論的不斷出現，與現代先進技術的融合，為鏟斗的設計方向提出了新的要求，未來鏟斗設計的發展也必然向著精準化、智能化的方向加速前進。

參考文獻：

［1］侯亞娟，畢秋實，張永明，李愛峰.大型礦用挖掘機鏟斗結構優化設計及其可視化［J］.工程機械，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計中的應用［J］.工程機械，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，教學辦主任，講師，高級技師。