矿用机械式挖掘机铲斗的原理设计

许玉明，王晓明，薛 红

(太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024)

矿用机械式挖掘机铲斗的原理设计

许玉明，王晓明，薛 红

(太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024)

铲斗是矿用机械式挖掘机基本部件之一，铲斗性能、形状、几何参数合理与否直接影响挖掘阻力和满斗系数。根据挖掘性能要求，确定了铲斗形状、几何参数；通过分析铲斗的力学性能，将斗体简化成简支外伸梁，分别求得铲斗在宽度、长度方向的相关铰点距离，并与实例计算进行比较；运用冲击理论，提出合理冲击点，使铲斗轴套受力最小。

挖掘机；原理设计；铲斗

0 引言

挖掘机工作过程中大部分能量消耗在挖掘物料上，因此，应从研究铲斗入手，降低挖掘物料的能耗。铲斗主要由斗体、斗底、提梁装置、斗底缓冲装置、拉杆、斗齿、护套以及各连接销轴等组成。由于铲斗的重量和成本只占整个机器的很少部分(约5%)，因此如何确定其形状、几何参数，达到降低能耗的目的一直困惑设计者，本文从铲斗的设计原理出发，提出合理确定这些参数的方法。

1 铲斗结构设计

铲斗的结构设计要解决的问题是：①保证铲斗有足够的强度与刚度；②铲斗的结构形状合理，应使挖掘阻力小，满斗系数高，易卸载；③耐冲击，抗磨损，更换易损件方便。

铲斗斗体的四壁由于工作中受力状态及其作用不同，要求也不同。铲斗前壁直接进行物料切削，所以其前部应向前凸并向下凹，即斗唇与斗前壁有合理的倾角，随切削物料不同，倾角也不同，以利于切削和减少前壁的磨损为宜。同时，为使铲斗易于切入物料，切削力增加缓和，减少切削时偏心力的作用，往往把前壁的中间齿向前凸出一些。铲斗的后壁与斗杆、拉杆相连，并支承整个斗体。为了便于卸出物料，斗底应做成平滑表面。斗底承载装入斗中物料的重量，要有足够的强度，同时当卸载完毕时，斗底依靠自重将斗底合上，依靠斗底缓冲装置，与斗体有轻微的碰撞，这就要求斗底要有足够的刚度。斗体有两个侧面，是连接前壁与后壁形成一个方形框体的部分，采用∏型前壁和后壁加上垫板后焊接在一起，在保证焊接工艺要求的前提下，同时为了消除焊接应力，焊后应整体退火。

铲斗的形状逐步由工程上的近似正方型的斗形向矩形、梯形发展，梯形斗的优点如下：避免了空斗(充填系数>100%，通常达到110% )；易于插入掌子面并减少拖拽；具有优化的切削角；提高效率并减少推土机操作；斗边溢料最小。

图1为梯形铲斗示意图，虚线代表传统的矩形铲斗，白色部分是公司独特设计，可提高额外生产率。

图1 梯形铲斗示意图

2 铲斗的主要几何参数及相关铰点距离确定

铲斗的主要几何参数是铲斗的内宽、高、长；在铲斗宽度、长度方向上的两铰点(斗杆、拉杆)距离。铲斗尺寸示意图见图2。确定铲斗几何参数的原则是：满足斗容积、切削力尽量小的要求；斗后壁受力均匀。

图2 铲斗尺寸示意图

2.1 铲斗几何参数确定

按切削能力计算斗内宽，即:

V=b·c·H.

(1)

其中：V为铲斗容积，m3；b为斗内宽，m；H为推压轴高度，m，H按采装工艺确定[1]，H=(0.5～0.6)台阶高度；c为切削厚度，m，令c=k·b，k为切削厚度与斗内宽比的系数，k=0.17～0.33。

由式(1)可得：

斗内高h(m)由下式计算：

h=k1·b.

(2)

其中：k1为斗内高系数，取0.6～0.85。

斗内长L(m)由下式计算：

L=k2·b.

(3)

其中：k2为斗内长系数，取0.7～0.72。

2.2 铲斗的相关铰点距离确定

2.2.1 斗杆与铲斗后壁在宽度方向的两铰点之距l

l是指斗杆与铲斗后壁在宽度方向的两个连接铰点A、B之距，是确定两斗杆中心宽的依据。将这两个连接铰点作为两个悬挂的支撑点，简化成简支两端外伸梁结构，载荷(含物料反力)的法向分力q作用在斗齿尖上，并认为是均布载荷。铲斗的受力简图、剪力与弯矩图如图3所示。设RA和RB分别为A、B两点的支反力，则有：

其中：a为铲斗宽度方向内侧一边到同侧斗杆中心的距离。

设简支梁上一点到左端的距离为z，则z处的剪力Q的计算公式如下：

图3 铲斗的受力简图、剪力图与弯矩图

弯矩M的计算公式如下：

对上式求导，得最大扭矩：

l=b-2a.

(4)

2.2.2 斗杆与拉杆分别与铲斗连接的两铰点之距离l2

l2=L-2a2=L-2×0.2L=0.6L.

(5)

3 斗底撞击中心的确定

在卸载过程中，由于频繁开、关斗底，使连接斗底和斗体的销轴受到撞击，加快其磨损。若确定斗底的撞击中心，可使轴套处受到的撞击冲量很小甚至为零。斗底的撞击中心计算简图见图4，其中将斗底简化为杆件，点O为铲斗斗底绕斗体的旋转中心。

图4 斗底的撞击中心计算简图

斗底从与斗体夹角为β的位置自由下落，与斗体碰撞，应用动能定理有：

(6)

其中：Jo为斗底(视为杆件)的转动惯量，kg·m2；m为斗底的质量，kg；ω1为碰撞开始时斗底的角速度，rad/s；ω2为碰撞结束时斗底的角速度，rad/s；d为斗底旋转中心到质心的距离，m。因斗底开始落下时的角速度ω0=0，故：

(7)

在撞击点碰撞结束时的角速度由碰撞开始时的角速度和恢复因数可求得：

ω2=k3ω1.

(8)

其中：k3为恢复因数。

对点O，由冲量矩定理有：

Joω2+Joω1=In.

(9)

其中：I为碰撞冲量；n为旋转中心O到碰撞中心的距离。

根据冲量定理，有：

(10)

其中：Iox为旋转点O的水平碰撞冲量；Ioy为旋转点O的垂直碰撞冲量。

根据式(6)～式(10)可得：

分别将斗杆简化为均质杆和非均值杆进行分析：

钢对钢时，由参考文献[2]取恢复因数k3=5/9。

以某机械式挖掘机43 m3铲斗为例，d=1.67 m，则撞击参数计算结果如表1所示。

表1 撞击参数计算表

(2) 将斗底简化为非均质杆，则：

其中：T为斗底的摆动周期，s。

计算转动惯量Jo是通过测定斗底的摆动周期[3]求得的，这时可推导得到撞击参数的计算公式如下：

4 结论

经上述分析与计算，可得出以下结论：①从设计原理出发，确定铲斗的几何参数，有普遍指导意义；②通过对拉杆长短对挖掘机铲斗的影响，为以后设计挖掘机铲斗提供了依据；③计算斗底的撞击中心与距离，为设计斗底缓冲装置提供有力帮助。

[1] 康晶晶.大型挖掘机工作装置优化设计[D].沈阳：东北大学，2007：30-31.

[2] 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京：高等教育出版社，2002.

Principle Design of Electric Rope Shovel Dipper

XU Yu-ming, WANG Xiao-ming, XUE Hong

(Technical Center of Taiyuan Heavy Industry Co., Ltd ., Taiyuan 030024, China)

The dipper is one of basic parts for electric rope shovel, the performance, shape and geometrical parameters of dipper are reasonable or not directly affects the digging resistance and coefficient. According to the mining performance requirements, the shape and geometry parameters of dipper are determined; Through the analysis of the mechanical properties of dipper, the body of dipper is simplified to a simply supported overhanging beam. The relevant hinge point distances at the directions of dipper width and length are respectively obtained, and compared with the results coming from practical calculation; By use of impact theory, the reasonable impact point is put forward, to make the force on the dipper bushing bearing minimized. This work may provide effective help for preliminary design of dipper.

electric rope shovel; principle design; dipper

1672- 6413(2015)06- 0084- 03

国家863计划项目(2012AA062001)

2015- 04- 01；

2015- 09- 20

许玉明(1984-)，男，山西大同人，工程师，硕士，主要从事矿山机械的设计开发工作。

TD422.2

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