關于機械式挖掘機設計與發展的探討

王 凱

（張家口宣化華泰礦冶機械有限公司，河北張家口 075100）

0 引言

一般來說，在露天礦作業過程中，需要使用到機械式挖掘機設備，其中運用到諸多技術。露天礦山開采規模的日益增大，加快了相關采礦技術與設備的研發速度。憑借著耐沖擊、耐疲勞等眾多優勢，使其受到了很大的關注與重視，并且被運用到礦山的開采與建設工作當中。通過科學利用先進的機械式挖掘機設備，一方面提升了相應的勞動生產工作效率，另一方面也嚴格控制生產工作的成本。這種機械設備的應用范圍進一步擴大，朝著自動化、智能化的方向發展，同時也方便后續維修與保養工作的順利進行，延長其使用年限，凸顯出一定的功效和作用。

為了發揮出其良好的作用，需要科學設計機械式挖掘機，同時分析與其關聯的相關問題，達到增強運用效果的目的。

1 機械式挖掘機發展的狀況

對于挖掘機設備，從出現至今經歷了漫長的發展階段。在此過程當中，機械式挖掘機的行走系統由最初的鐵道軌輪改進到當前的履帶式，由此構成了四輪一帶。在電出現以后，促使發電機組得以出現，由從前的單發電機組驅動朝著多電機驅動方向發展，以多交流變頻電動機驅動為主，從單機傳動朝著多機傳動的方向進行轉變，實現了高效化的管控效果，體現出不斷健全的特征[1]。從結構角度來看，目前以焊接結構為主，表明焊接工藝發展的速度非常快，得到了廣泛推廣和宣傳。在科學運用之后，一方面，達到了控制成本的效果，減少了進行制造需要的周期；另一方面，在科學利用相關材料力學與結構力學方面計算知識的同時，采用有限元計算方法，確保了計算的精準性。此外，從設計角度來看，現階段依然主要依靠經驗進行，主要應用類比與相似設計等方式。基于繪圖的視角下，不再運用圖板，而借助計算機繪圖的方法，減少了具體的設計周期[2]。

2 機械式挖掘機設計發展的方向說明

2.1 設計原理探究

2.1.1 緊密結合采礦需要進行科學設計

針對不同的尺寸，如最大的挖掘半徑、高度、卸載半徑等數值，在明確之后應該密切聯系相關采礦技術，確保設計方案達到采礦的需要，進而明確具體的工作尺寸[3]。

2.1.2 相關結構件設計原理的分析

（1）鏟斗和挖掘對象以直接接觸，斗形是否準確關系到相應的挖掘阻力。在參考外國一些成功的經驗之后，能明確斗形設計，并科學分析其強度與剛度情況，然后不斷改進和優化處理。當前，我國在斗形方面的研究非常少，需要積極進行探究。

（2）在鏟斗、斗桿方面，由于動臂的受力狀態為相應的壓彎實腹型構件，依據有關力學知識，基于靜動強度、剛度視角下，可以運用精確解方法有效明確動臂相關結構。一般情況下斗桿受力狀態通常是壓、彎等構件。

（3）不斷改進和完善相關工作設備。此設備包括了鏟斗、斗桿與動臂。從動力方面而言，主要依靠相關提升系統與推壓系統一起進行挖掘處理，獲得良好的挖掘效果。在此過程中，需要基于挖掘視角，科學設計，并且根據具體的挖掘過程，科學改進和優化挖掘的軌跡，將動臂的幾何尺寸作為主要的改進對象，有利于明確挖掘后角與相關幾何參數。不過在目標參數的明確與改進方面，則需要進一步優化。由于此過程主要處理多目標函數方面的問題，缺少統一化的量綱，可以運用更加先進的方式優化。

（4）在結構件計算工況的選用方面，以不同的結構件作為主要對象明確具體的計算工況。當前，部分工況在選用上需要進一步分析，另外一些工況本身并不存在，無法當成計算工況的有效參考。例如，當鏟斗處于最高的位置進行挑大塊，初期挖掘時與大塊巖石相接觸，容易發生斗尖被卡的現象，需要根據有關生產技術來確保計算工況的科學性，有效規避相關結構件設計太過強壯和功能過剩的問題。

2.2 相關挖掘理論分析

結合相關挖掘理論知識，以挖掘阻力的明確為主，并作為提升與推壓電機功率的參考。實際上，以直接測試的形式進行阻力的挖掘存在著很大的難度，僅可以對推壓力與提升力進行檢測，同時對斗尖的部位進行準確記錄，然后依靠科學計算，間接獲取挖掘阻力，不過存在著一定的誤差。參考太重測試的狀況，整個測試的過程十分復雜，同時需要巨大的物資與資源。

可以借助測試推壓的方式，達到提高電機功率與推壓速度的目的，同時準確記錄具體的齒尖部位，針對相同的樣機挖掘不一樣的礦石來說，應該盡可能對眾多樣本進行測試，同時及時加以統計與整合。對于不一樣的樣機挖掘相同的礦石來說，需要提高推壓的功率，科學分析所獲取的相關數據，進而得到功率和斗容量、工作尺寸相應的數學模型。通過數次驗證之后，能夠獲取合理值，將其運用到設計過程當中。實現對測試工作的精簡處理，避免干擾到正常的生產工作，便于進行落實。

2.3 大型化的發展勢態

隨著很多技術的運用，未來所使用到的機械設備日趨大型化，一方面能夠增加經濟收益，另一方面也滿足了相關工藝的需求。挖掘機也呈現出從小到大的特征，目前最大的斗容是56 m3。在未來，機械式挖掘機的大型化將成為必然。

3 機械式挖掘機的設計方式

3.1 依據科學發展觀的設計方式

（1）合理運用創新設計方法。通過重視創新設計方法的科學利用，充分參考相關創新理論知識、技術，逐漸形成科學的創新思維方式，發揮出邏輯思維、形象思維各自的功效，進一步增強設計工作者的創新能力。

（2）科學應用綠色設計方法。例如，對于有些機械設備，噪聲消除、拆裝設計等工作采用綠色設計方法，可以獲得良好的效果。

3.2 以確保產品質量作為目的的綜合設計方式

根據產品的質量當作宗旨，科學運用綜合設計方式，以最大限度滿足廣大用戶在產品性能方面的需要，緊密參考不同用戶的需求情況，科學進行設計。挖掘機性能參數主要有結構、工作以及工藝等，以滿足相關要求。

3.2.1 功能、動態等相關設計的改進

挖掘機的結構，運用拓撲優化的方法，處理強度方面的難題，制定出科學的設計方案。當滿足相關設計規定的同時，構建針對挖掘機的計算機輔助軟件，完成了數字化設計工作的任務，最終明確了相關功能參數[4]。

3.2.2 有關大型設備穩定性的分析

由于挖掘機的運行情況與靜力強度無關，主要是疲勞強度密切相關，所以應該深入探究與分析疲勞強度。在計算大型焊接結構件疲勞的過程中，由于經驗欠缺，需要進行測試，構成相應的應力載荷譜，有助于落實相關工作。

3.2.3 挖掘機的平衡性、穩定性分析

對于挖掘機設備平衡性、穩定性方面的分析，針對的為科學布設平臺當中全部的設備、支撐鉸，確保平衡重的科學性。同時緊密結合具體的狀況，經過分析以后獲得適合的計算方式，再加以有效運用。

3.2.4 相關結構動態設計分析

受挖掘機設備逐漸數字化、大型化發展趨勢的影響，挖掘機結構的動態特征得到很大關注。但是設備的振動會給相應的操控效果、結構疲勞等帶來不良影響，所以應該重視該項工作，著重分析與探究起升機構，運動機構在制動時候的相關動態激勵情況，帶給有關結構件的實際影響。

3.3 基于系統統計動力學理論的設計方式

挖掘機的工作具備隨機的特征，所以之前運用的明確量、最大挖掘力設計的方式存在一定缺陷。為此，設計工作的開展需要達到設計最大限度的相關規定。通過緊密結合現場所測試的數據信息，將其當成設計的依據，將確保挖掘機質量當成宗旨。現在此項工作并沒有取得較大進展，較為困難的環節為有關數據信息采集（包含很多數據），整個過程不僅非常枯燥、費時，而且耗費了更多的資源，所以可以根據相關黑匣子理論方法，準確記錄整個挖掘機運行的情況，然后及時統計和整理相關數據，以增強設計工作的能力。

4 結束語

綜上所述，露天礦開采和建設工作，需要科學運用機械式挖掘機設備。挖掘機是常見的機械設備，在科學技術不斷進步的推動下，機械式挖掘機的設計水平得以提升。基于滿足實際工作需求的目的，有關設計人員應該根據我國相關部門所頒布的規定，結合實踐工作經驗以及其在使用中存在的問題，編制出科學、可行的方案，設計出來更具有市場競爭力的產品。