机械式矿用挖掘机动臂结构优化设计研究

摘要：本文通过对机械式矿用挖掘机动臂结构工作装置以及各构件之间运动关系的分析，确定机械式矿用挖掘机动臂结构，根据实际应用情况，对动臂结构进行优化方案的设计，使其可以满足更多挖掘任务。

关键词：机械式;矿用挖掘机;动臂结构;优化设计研究

前言

机械式矿用挖掘机的应用大大降低了挖掘的难度，同时提高了工程加工的进度，但是针对具有较高难度的挖掘工作，还需要机械式矿用挖掘机具有良好的动臂结构，可以灵活的变换。基于此，需要从动臂结构的工作装置、行走装置和回转装置对其进行优化设计，降低各结构构件尺寸对整体运行的影响，使动臂结构可以与挖掘任务形成统一的挖掘轨迹，提高挖掘工作的综合质量。动臂是矿用挖掘机工作装置的主要构件，对其进行优化设计，既可以提高工程挖掘进度，又可以提高工作装置的整体性能，所以使用者要积累更多的挖掘工作经验，明确各组件之间的协调关系，提高设计水平和分析效率。

1.机械式矿用挖掘机动臂结构工作装置的运动学分析

1.1运动学对矿用挖掘机理想挖掘轨迹的影响

在矿用挖掘机实际工作的过程中，斗齿尖端会在挖掘工作面产生一条自下而上的迹线，这条轨迹会受到动臂结构工作装置运动学的影响，因为在齿尖运行的过程中，会形成固定的挖掘轨迹，而动臂结构为了简化挖掘的难度，会减小挖掘阻力，然而，铲斗的切削角度很难保持不变，挖掘轨迹自然会发生变化。铲斗在完成一次完整的挖掘行为后，挖掘初始位置会随着铲斗伸出长度的变化而变化，这时，任一时刻的斗杆伸出长度都会改变转角的角度，所以矿用挖掘机动臂结构的优化设计必须结合实际的挖掘工作，对各个运行运动过程进行充分的分析，进而明确挖掘轨迹控制的方法[1]。

1.2工作装置动力学参数的确定

工作装置动力学参数的确定内容主要包括：提升机构提升速度的分析、推压机构推压速度的分析、挖掘机挖掘阻力的分析、钢丝绳与天轮切点坐标的分析。其中，提升机构提升速度的分析主要针对矿用挖掘机铲斗初始位置的变化位置。推压机构推压速度的分析需要结合矿用挖掘机的一个完整工作循环，确定斗杆的推出量，然后以推压机构推压轴回转速度为主要依据，明确推压轴驱动的回转角速度[2]。挖掘机挖掘阻力的分析是在铲斗挖掘作业中，结合铲斗受到的切削阻力和装土阻力，确定准确的挖掘总阻力和两个分力对挖掘工作的影响力度，实际需要分析的数据包括：铲斗切削边宽度、切削层厚度、挖掘比阻力。钢丝绳与天轮切点坐标的分析需要根据挖掘工作的物理模型，对挖掘过程中各个构件之间的相互运动特征进行描述，确定提升钢绳位置是否与天轮保持在相切的关系中，在切点位置时刻变化的过程中，变化的程度是否会影响到分析结果的准确性，这都是钢丝绳与天轮切点坐标分析的主要内容[3]。

2.机械式矿用挖掘机动臂结构优化设计研究内容

2.1基于APDL的结构优化设计分析

基于基于APDL的结构优化设计需要正确选择设计的方法，其中，APDL软件可以从零阶开始优化，求得一个函数来表示完成空间的拟合目标，这种优化结构形式得到的优化值可以更加准确的反映出动臂结构的特点和优势。根据机械式矿用挖掘机实际的使用需求，在对运行状态变量、设计变量分析的过程中，一定要确定程序的准确性和安全性，状态变量要能对设计变量进行控制，优化求解的途径也要体现出多样性，这样才能满足复杂挖掘任务的应用需求[2]。

2.2动臂结构优化设计的过程分析

在APDL结果优化结束之后，需要对机械式矿用挖掘机动臂结构进行优化设计，实际的设计流程是：首先，需要对变量进行初始化设计，初始化设计变量会根据参数化类型建模，通过加载和求解提取出分析结果并指定优化变量，然后，把变量添加到指定的优化分析文件中，通过OPT的作用，整个优化过程进入到优化参数的评价阶段，如果评价结果为非最优解，则优化数据会再次进入到指定的优化分析文件中，通过OPT的作用，则会再次进入到评价模式，对优化文件进行评价[5]。最后，最优解通过收敛作用退出OPT程序，得到最终的设计结果，这种动臂结构优化设计的过程准确，利用现代化科学技术，更加明确的体现出了设计的重点和流程，有利于设计人员及时调整设计方案。

3.结语

在上文分析的内容中，笔者结合机械式矿用挖掘机动臂运行与运动学之间的关系，指出了运动学对挖掘机轨迹和运行过程的影响程度，基于此，设计出动臂结构的优化流程和内容。基于实际运行情况设计的优化结构可以满足实际应用需求，针对技术问题也可以更好的利用现代化技术进行解决，体现出了高效的控制能力。

参考文献：

[1]邸丽伟，周光明，张丽敏，等.机械式矿用挖掘机动臂结构优化设计研究[J].吉林大学学报（社会科学版），2013，01（23）：230-233.

[2]卢雄伟，张志明，陈思明，等.8m～3矿用挖掘机工作装置优化设计及结构强度分析[J].吉林大学学报，2013，02（34）：120-122.

[3]王得胜，李德龙，杨世鑫，等.12m～3机械式矿用挖掘机履带架强度和刚度分析研究[J].华中科技大学学报，2013，（19）：129-133.

[4]邸丽伟，孔德文，任友佳，等.基于虚拟样机技术的机械式矿用挖掘机工作装置参数优化设计[J].建筑机械，2013，01（23）：178-182.

[5]刘海燕，林述温，高光玉，等.优化过程知识引导的挖掘机动臂结构优化设计新策略[J].中国工程机械学报，2013，03（15）：228-233.