一种新型煤矿装载机铲斗的参数设计与分析.pdf

一种新型煤矿装载机铲斗的参数设计与分析梁光明温 鸿王虎奇(.广西柳工机械股份有限公司广西 柳州.广西科技大学 机械与汽车工程学院广西 柳州)摘 要:在露天煤矿中煤矿装载机主要的作业流程是将爆破后的松散煤矿铲装到卡车上再由卡车将煤运输出工地 针对煤矿企业提出的煤矿装载机铲斗容量与运输卡车容量不匹配导致装卸效率低、铲斗磨损严重等问题基于四个基本参数法对某 吨煤矿装载机铲斗进行参数设计结合装载机作业工况及露天煤矿物料特点进而确定煤矿铲斗的几何形状再通过 建立与实际尺寸相同的三维模型 在三种典型的载荷工况下使用 对模型进行静力学分析得到铲斗的应力与位移分布分析的结果均满足材料的许用范围故该分析结果可作为装载机铲斗设计和优化的依据对相似作业流程及物料特点的工程机械和结构的改进与计算有一定的工程指导意义关键词:露天煤矿 铲斗 参数设计 有限元分析中图分类号:文献标识码:文章编号:():.(/).:引言装载机是一种集铲装、运输、卸料于一体的大型设备具有机动灵活、操作简单、工作效率高等优点已成为露天煤矿开采中必不可少的设备 在开采环节中铲斗作为煤矿装载机的主要工作装置之一对生产效益有着重要影响是装载机性能的重要指标 由于煤矿装载机在露天煤矿作业中环境恶劣装载机铲装煤矿的过程中铲斗频繁与物料直接接触常造成铲斗磨损严重甚至断裂问题为了保证煤矿装载机工作可靠高效 本文对某 吨煤矿装载机铲斗根据露天煤矿作业工况进行合理开发并在典型的三种工况下进行结构强度校核为煤矿装载机铲斗的结构优化提供理论依据 铲斗几何参数设计与工况分析.铲斗几何参数设计铲斗主要由斗底壁、圆弧壁、切削刃板、侧刃、挡板以及铰接耳板组成 根据煤矿企业对铲斗提出的阻力小、工作效率高、耐磨及使用寿命长等要求进行铲斗设计 本文采用郭凌汾提出的四个基本参数法来确定铲斗的几何尺寸参数(图)该方-BO#&C.ND 图 铲斗斗形及参数法的四个基本参数:)斗张角 由斗底和斗壁二直线组成的夹角)底弧比 是斗底长度 与圆弧半径 的比值)侧刃倾角 铲斗侧壁切削刃相对斗底的倾角)挡板高度系数 后挡板高度 与铲斗圆弧半径 之比据国内外论文及装载机的样本和图纸统计得到 吨装载机铲斗四个参数的大致范围为 .为满足煤矿企业的设计要求确定 .铲斗的净宽 由装载机的轮距确定参考同类样机定为 为减小铲斗的阻力铲斗的斗底角为 煤矿专用铲斗的容量基于物料的密度和使得装载机铲斗容量与卡车的装载容量能良好匹配提高装卸、运输的作业效率的考虑最终确定铲斗容量 为.铲斗的侧面积公式:.()式中:.为考虑堆装斗容约为平装斗容的.倍 表示图 铲斗的侧面积()()()()铲斗圆弧半径公式:.()经计算 .由于露天煤矿都是经过爆破后的松散煤矿故铲斗铲装煤矿时不需要安装斗齿对煤矿进行切碎处理同时为保证切削刃的耐磨性本文在切削刃处增加了可拆卸的副切削刃板:侧切削刃中切削刃如图、图 所示 当副切削刃磨损到一定程度后可拆换从而延长了铲斗的使用寿命#图 铲斗的主切削刃 图 铲斗的装配式副切削刃根据上述确定的几个关键设计点参数开展煤 图 设计完成的煤矿 专用铲斗矿专用铲斗的设计最后使用 完成铲斗的三维模型如图.典型工况分析装载机在铲装煤矿时主要是由铲斗铲入物料、铲取物料、掘取物料三个工况组成而这三个典型工况下的受力情况如下:()铲斗插入物料时铲斗受到与装载机牵引力等大的水平物料阻力 阻力位置集中在主切削刃、副切削刃、侧刃位置()铲斗提取物料时认为铲斗的圆弧和斗底处只受垂直掘取力的作用()铲斗铲取物料时铲斗除了斗底受到插入时的物料阻力铲斗圆弧和斗底还受到物料的垂直向下的重力作用该重力的大小与装载机的掘取力相等D:9;:9;:9;3Y3Y3Z3ZBC图 铲斗的 种典型工况 有限元分析在 中对铲斗三维模型中结构受力无关性部分进行简化处理将模型保存为 的格式后再将其导入有限元软件 中进行静力学分析.铲斗的材料该装载机铲斗的主切削刃与可装配的副切削刃选择耐磨性和屈服强度两者特性都高的 材料其余部分选择 材料二者材料力学性能如表 所示表 各材料力学性能材料弹性模量/泊松比 屈服强度/.网格划分及边界条件施加因为铲斗的三维模型尺寸较大和计算机分析能力有限因此对整个铲斗的单元大小设为 对整体自由划分网格网格划分结果如图 得到网格节点数为 个单元数为 个 根据铲斗的作业情况对铲斗的斗耳板和挂耳板的三个销孔处的六个自由度采用全约束的方式进行约束固定图 网格的划分.载荷的施加与求解铲斗将应用于某 吨煤矿装载机该装载机的最大掘取力为 最大牵引力为 根据.小节表述的三种典型载荷工况在装载机铲斗插入物料时铲斗的切削刃、副切削刃、侧刃表面受到最大的水平载荷为 在装载机提取物料时铲斗的圆弧及斗底受到最大垂直载荷为 而在装载机铲斗铲取物料时则将前两者的受力情况综合施加 由于铲斗的作业对象是松散的煤矿粉故按对称载荷来模拟计算更接近实际情况铲斗在水平对称载荷、垂直对称载荷、水平垂直对称载荷下的应力与位移分析云图如图 图 所示图 水平对称载荷下的 图 水平对称载荷下的应力云图 位移云图图 垂直对称载荷下的 图 垂直对称载荷下的应力云图 位移云图图 水平垂直对称载荷 图 水平垂直对称载荷下的应力云图 下的位移云图.结果分析由求解结果可知铲斗中最大变形位置主要发生在切削刃处而较大的应力大部分都集中在斗耳板靠近斗壁底板位置二者的位置与实际情况相符合表明分析结果具有一定准确性 另外应力的分布对称性较好也说明了铲斗有限元模型的合理性从位移云图(图 图 图)中可以发现变形位置主要集中在切削刃的中间位置铲取时所受的水平对称载荷导致的最大变形量为 插入时最大位移量为 提取时的最大位移量 介于两者之间总体位移量均在许可范围内且可以考虑将可装配的两块副切削刃 制成一块可装配的副切削刃来提高切削刃中间位置的强度进而减小切削刃中间位置的变形量从而在不增加质量的情况下提高铲斗切削刃的强度从应力云图(图 图 图)中可以发现煤矿铲斗在铲取的最大等效应力为.此工况下最大其次是在提取工况下铲斗的最大等效应力为.最后是铲斗插入物料时的最大等效应力为.在只有水平对称载荷时最大应力主要集中在两斗耳与斗壁的焊接处另外两种工况的最大应力都集中在斗底的护板位置其他部分应力较小 三种典型工况下的最大应力都小于表 中材料的屈服强度故铲斗在三种受载情况下各个部分均满足强度要求 在保证装载机的工作性能及生产效率的情况下可对应力较小的部位进行优化如使用强度较小的材料或者减少材料的用量同时提高生产企业的焊接技术有利于延长铲斗的使用寿命 结语本文采用四基本参数法对露天煤矿装载机铲斗进行几何参数设计并根据露天煤矿物料特点将铲斗斗齿替换成可进行替换并延长铲斗的使用寿命的装配的副切削刃最终确定铲斗的三维模型 使用 对煤矿铲斗进行有限元分析其分析结果与铲斗实际情况中的应力与应变较为接近且最大等效应力小于材料的屈服强度最大位移变形量在允许范围内总体满足铲斗作业要求 为进一步对装载机铲斗进行优化设计提供了理论参考参考文献吉林工业大学工程机械教研室.轮式装载机设计.北京:中国建筑工业出版社.高华.装载机铲斗设计.青岛:青岛理工大学.郭凌汾金万钧刘述学等.装载机铲斗设计新方法.工程机械():.刘述学金万钧郭凌汾等.装载机铲斗合理形状的试验研究.农业机械学报():.王虎奇何海钊陈忠毅.基于 的装载机铲斗结构静强度的有限元分析.广西工学院学报():.石沛林徐冠林张立荣.型装载机铲斗的应力分析与结构优化设计.工程机械():.王海芳汪澄戴亚威.装载机铲斗有限元及疲劳分析.煤矿机械():.刘晋霞蔚东洋钟佩思.装载机铲斗受力分布及强度分析.矿山机械():.基金项目:国家自然科学基金资助项目()作者简介:梁光明()男广西南宁人高级工程师硕士研究生研究方向:工程机械设计研究温鸿()江西赣州人在读硕士研究生研究方向:工程机械结构系统优化设计通讯作者:王虎奇()男湖南长沙人博士研究生教授主要研究方向:工程机械结构系统优化设计收稿日期: