WK-75型礦用挖掘機斗齒結構改進

王宏東

(大同煤礦集團有限責任公司煤峪口礦,山西大同 037003)

1 引言

露天開采中機械設備的廣泛應用極大的提高了生產效率,礦用挖掘機[1-5]就是其中的一種,而斗齒安裝在設備最前端,(如圖1、2所示),其耗損程度直接影響了設備的壽命,而傳統的感性認識—耐磨程度[6-7]和斗齒的厚度正相關,不僅形成了材料的浪費,在實際使用過程中效果卻可能適得其反,所以有必要對斗齒進行優化設計。

圖1 機械師礦用挖掘機

圖2 斗齒的磨損

2 設計改進

斗齒的結構改進技術路線見圖3。

圖3 技術路線圖

2.1 斗齒參數化設計

斗齒安裝在機械設備的前端,在工作過程中其直接和物料接觸,作用十分關鍵；本文主要研究WK-75型礦用挖掘機斗齒,如圖4顯示了斗齒結構的組件。在UG軟件中建立斗齒的參數化模型,如圖5,并進行關鍵位置的裝配,如圖6,為后續的運動模型建立和斗齒磨損分析建立基礎。

圖4 斗齒結構組件

圖5 斗齒三維模型建立

2.2 斗齒工作裝置運動結構簡化及其合理性分析

露天開采中,大型挖掘機的工作場景往往是在煤壁爆破、剝落后形成的物料山上作業,其以底盤為基點轉動搖臂、控制斗桿轉動,同時由鏟斗上部的旋轉控制機構,控制開挖,工作作業如圖6 所示,對其進行簡化后如圖7所示。

圖6 挖掘機采掘過程

7 工作裝置機構原理簡化圖

工作裝置作業過程,斗齒齒尖的運動軌跡是我們要進一步簡化分析的對象,為了保證工作過程中挖掘遇到的最小阻力,我們假設斗齒滑動過程中切削角為δ,且為固定值,且鏟斗的轉動過程中以Q2為坐標原點,設曲線上個點的矢量路徑為ρ,極角為θ,其軌跡簡圖如圖8所示。

圖8 斗齒運動軌跡簡化圖

通過求解方程式可得,其運動軌跡為：ρ=ρ0·eθ·cotδ。雖然在實際過程中不可能保持完美的軌跡見圖,但是在考慮某一微小的分段時依然具有研究意義。

對斗齒運動分解,經過計算得到其運動軌跡參數,表1。

表1 斗齒運動軌跡參數

2.3 仿真模擬

本文應用的仿真模擬軟件是EDEM 軟件[8],在建立了物料堆積模塊之后,是設置好運動時間步長及頻率、受理敏感模塊等,在可視化模塊中直觀感受物料開挖全過程的同時,紀錄不同時段、不同位置的斗齒受力情況,如圖9,分析得到斗齒的受力圖,如圖10所示。

圖9 鏟斗開挖過程

圖10 斗齒受力圖

圖11 斗齒磨損分布

由圖中可以看出,斗齒兩端受損程度遠大于其他部位,正面和物料接觸的齒棱受損較小,可見單純增加厚度對斗齒的保護作用并不科學。

3 設計改進

通過磨損大小分布可以看出,受損嚴重的部分正好是圓角半徑較小的部位,如下圖12所示R1、R2部位,故提出斗齒頭部圓角半徑重新改進設計的思路。

圖12 斗齒圓角分布圖

利用前文圖5 的三維模型參數,修改不同的R1、R2,生成不同的三維模型,分別模擬不同參數下的斗齒磨損情況,如圖13所示。

圖13 不同R1、R2下的斗齒磨損情況

由圖可以看出隨著R1半徑增大,磨損的深度逐漸減少,且磨損的速率逐漸減緩,同樣R2半徑增大的同時,磨損的尺度和速率也均有減少,因此同時增大R1、R2的尺寸,R1全圓角、R2=30 mm,如下圖14 所示,同時進行前文的仿真模擬,得出改進前后的磨損情況對比,以及磨損分布圖,圖15,圖16所示。

圖14 改進后的斗齒結構

圖15 改進前后斗齒受損程度對比

圖16 改進前后斗齒受損部位對比

經過改進斗齒圓角半徑R1、R2后,磨損的尺寸得到了很大改善,提高了斗齒的使用耐久度,驗證了方案的可行性。

4 結論

本文針對礦山挖掘設備在工作過程中斗齒出現的磨損嚴重的情況,通過對工作裝置以及斗齒結構的分析、受力分析、在仿真軟件中模擬了斗齒結構不同圓角下的受損情況,得到了較為優秀的參數尺寸,進而在仿真軟件中與之前架構的對比,驗證了設計改進的合理性。