巨型電鏟新型工作機(jī)構(gòu)性能研究.pdf

1、電鏟是露天開采中的主要的大型裝備之一，用于礦山表面物的剝離和礦石的采裝作業(yè)。我國(guó)的電鏟長(zhǎng)期依賴于進(jìn)口，設(shè)計(jì)開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電鏟產(chǎn)品，具有積極意義。本文分析了國(guó)內(nèi)外電鏟發(fā)展歷史和挖掘工作機(jī)構(gòu)的演化，以及關(guān)于挖掘機(jī)構(gòu)力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀，結(jié)合并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，提出了一種新型電鏟挖掘機(jī)構(gòu)，并研究了新型挖掘機(jī)構(gòu)與被挖掘物料的作用模型、挖掘過(guò)程驅(qū)動(dòng)與外部環(huán)境之間的關(guān)系、挖掘裝置電機(jī)能量與動(dòng)力匹配模型、挖掘能力研究以及挖掘能耗優(yōu)化模型等，為電鏟

2、挖掘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。主要研究了內(nèi)容如下：
　　（1）研究挖掘鏟斗與物料相互作用過(guò)程中阻力特性，提出一種新的挖掘阻力計(jì)算模型，為挖掘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。與現(xiàn)有的挖掘阻力模型相比，這種模型考慮了挖掘厚度、挖掘切削角、挖掘速度、鏟斗幾何尺寸、被挖掘物料的物理特性等多個(gè)參數(shù)，計(jì)入了挖掘操作方式因素，并給出了由于鏟斗前端與物料擠壓引起的阻力的計(jì)算模型。與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果相比，此模型計(jì)算的結(jié)果比現(xiàn)有的阻力模型得出的結(jié)果更接近于

3、實(shí)測(cè)結(jié)果，準(zhǔn)確度更高。
　?。?）根據(jù)挖掘阻力存在最優(yōu)挖掘角原理，三自由度挖掘機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)最小挖掘阻力，通過(guò)機(jī)構(gòu)型綜合方法，設(shè)計(jì)發(fā)明了一種新型三自由度并聯(lián)挖掘機(jī)構(gòu)，和傳統(tǒng)的二自由度挖掘機(jī)構(gòu)相比，新的挖掘機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)鏟斗的轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)在挖掘過(guò)程中以最佳挖掘角進(jìn)行挖掘作業(yè)，降低挖掘能耗，提高挖掘過(guò)程鏟斗裝載滿斗率，并可以獨(dú)立完成清障作業(yè)。研究挖掘過(guò)程挖掘機(jī)構(gòu)與外部動(dòng)態(tài)環(huán)境關(guān)系，建立了新型工作機(jī)構(gòu)挖掘過(guò)程的數(shù)學(xué)描述模型，提出挖掘軌跡的確定

4、方法和鏟斗-物料系統(tǒng)重心的確定方法。建立挖掘機(jī)構(gòu)的幾何模型，并在新的挖掘阻力模型基礎(chǔ)上，建立挖掘機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輸入與外部動(dòng)態(tài)環(huán)境關(guān)系的模型。在這些模型的基礎(chǔ)上，得出挖掘過(guò)程中挖掘機(jī)構(gòu)各個(gè)驅(qū)動(dòng)力的變化和挖掘消耗能量的大小；分析挖掘機(jī)構(gòu)尺寸變化和軌跡變化對(duì)挖掘能耗的影響，給出挖掘機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化和軌跡優(yōu)化的方法。通過(guò)對(duì)軌跡進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合，優(yōu)化多項(xiàng)式方程的系數(shù)，得到近似最佳軌跡。
　?。?）研究外部動(dòng)態(tài)工作環(huán)境與驅(qū)動(dòng)匹配的關(guān)系，建立了新三自由

5、度挖掘機(jī)構(gòu)的能量匹配和驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力匹配模型：在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，這個(gè)模型考慮了外部負(fù)載為變化的慣性負(fù)載和變化的力矩負(fù)載的多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜情況，通過(guò)定義廣義傳動(dòng)比，得到可用電機(jī)空間，并通過(guò)優(yōu)化得到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最佳傳動(dòng)比，將這種方法運(yùn)用到挖掘機(jī)構(gòu)，得到了其能量匹配和驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力匹配模型。
　?。?）研究挖掘機(jī)構(gòu)挖掘輸出能力空間，提出了兩種計(jì)算機(jī)構(gòu)輸出能力多面體空間的算法，在多面體空間性質(zhì)的基礎(chǔ)上，提出一種建立在機(jī)構(gòu)輸出力的多面體空間基

6、礎(chǔ)上的多自由度驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力匹配模型，針對(duì)于給定設(shè)計(jì)要求輸出力是一個(gè)空間范圍的情況，通過(guò)驅(qū)動(dòng)力與輸出力的空間映射關(guān)系，得到驅(qū)動(dòng)力輸入與設(shè)計(jì)要求輸出力空間的匹配模型。
　　本文主要成果包括：發(fā)明了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙斗桿新型三自由度并聯(lián)挖掘機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)以最佳挖掘角進(jìn)行挖掘，提高滿斗率和獨(dú)立完成清障作業(yè)；提出了一種考慮物料參數(shù)、鏟斗幾何形狀以及挖掘具體操作方式的挖掘阻力計(jì)算模型，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)證明這種模型更加準(zhǔn)確，為挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)和性能