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大型矿用挖掘机铲斗结构优化设计及其可视化

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/26     浏览次数:    
    大型矿用挖掘机铲斗结构优化设计及其可视化
    摘要:分析国内外铲斗研究现状,基于SAEJ67—1998标准推导铲斗容量的计算公式,建立机械式挖掘机铲斗结构优化设计数学模型。利用MATLAB软件编写铲斗优化程序,并基于VisualStudio平台和Vb.net语言,开发铲斗结构优化设计软件,实现优化结果的可视化。以WK-75型矿用机械式挖掘机铲斗为例,对其进行结构优化,验证铲斗结构优化模型和可视化方法的正确性。结论可为铲斗结构的合理设计和铲斗设计效率的提高提供理论参考。
    关键词:矿用挖掘机;铲斗;结构参数;优化设计;可视化
    大型矿用机械式挖掘机,生产效率高,运行可靠,广泛应用于煤炭、矿石等露天矿山的采装作业。目前,国内对大型矿用机械式挖掘机铲斗的设计主要基于传统的相似理论,即根据给定的铲斗容量,在经验公式的基础上粗略地确定铲斗结构参数。按照这种方法设计的结构会造成较大的铲斗容量误差,而且误差只有在铲斗三维建模完成之后才能通过测量得知,在有限的设计周期内属于低效率设计方法。此外,传统的设计方法无法对铲斗的重量做出有效的预测,这对于铲斗的设计工作是十分不利的[1]。在国内,太原重工集团对大型矿用机械式挖掘机相关关键技术进行了深入的研究与工程实践,已形成完整的关于铲斗的设计体系与分析方法,但仍存在斗形相对单一和理论基础相对薄弱的不足。国外主要的铲斗生产厂商有美国的Caterpillar、JoyGlbal、ESCO和南非的等公司,这些国外厂商能够针对不同的工作装置结构和不同的被挖掘物料设计不同结构型式的铲斗,并使用有限元、离散元等先进技术手段对铲斗强度和铲斗工作效率进行验证。因此,只有采用先进的方法及手段对铲斗的结构参数进行优化设计,提高铲斗的设计效率和成功率,才能满足现代用户的需求,提高我国产品在国际市场的竞争力[1]。
    本文基于SAEJ67—1998标准[2],推导出铲斗容量的计算公式,建立机械式挖掘机铲斗结构优化的数学模型,并开发铲斗优化设计软件,实现设计结果的可视化,为铲斗结构的合理设计提供了理论依据,同时提高了铲斗设计效率,具有广泛的工程应用价值。
    铲斗容量计算
    机械式挖掘机铲斗结构如图1所示,由斗体、斗唇、斗齿及斗底组成。图1中,B为铲斗宽度,m;H为铲斗高度,m;D为铲斗深度,m。

    要确定铲斗结构参数对铲斗容量的影响,首先需要明确铲斗容量的计算方法。根据国际上广泛采用的铲斗容量计算标准SAEJ67—1998,铲斗容量是指在停斗位置,铲斗顶部的物料以锥度2∶1堆积时的物料总体积,如图2所示。

    根据SAEJ67—1998标准,铲斗容量的计算式[2]为:
    (1)式中:VR为额定斗容,m3;VS为停斗位置时斗体内物料体积,m3;VE为物料以2∶1锥度堆积时的堆料体积,m3;为作业时从铲斗中跌落的物料体积,m3。
    为了减少受力和方便卸载,铲斗的侧壁结构具有一定的倾角,计算难度较大,另外作业过程中跌落的物料体积也无法精确计算。因此,本文为了利于工程应用,首先根据铲斗的结构特点,忽略了铲斗侧壁倾角,并将铲斗容量简化为以下3部分体积之和:斗体内物料体积V1,m3;顶部锥度料锥体积V3,m3;两者之间的中部物料体积V2,,如图3所示,γ为中部料堆倾角,(°);其次,为了弥补体积计算误差,采用修正系数法加以修正。则铲斗容量计算式如下:
    ′R=kV[V1+(V2+V3)](2)式中:kV为缩减比例系数,本文取0.85~0.95。
    铲斗斗体内物料体积V1的计算斗体内物料体积等于斗体截面面积与斗体深度的乘积。斗体截面为对称结构,其面积计算原理如图4所示。
    图1机械式挖掘机铲斗结构图图2SAE标准中的2∶1铲斗容量计算示意图图4斗体截面面积计算原理图单侧截面由3组直线段bh、qr、zm和4组圆弧段h!q、k!z、、共同构成,o点为圆弧段dc!n的圆心。铲斗结构参数与计算过程中各面积符号所对应的区域在表1中给出。
    由图4可知,铲斗单侧截面面积As的计算式为:
    (3)式中:
    θθ(1-cosθ)φθ=arcsin()(cotπ+2φπ-2φ)(cotπ-φφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφ)(4)的形状比较复杂,其计算方法为:
    (5)式中,θ-βθ([B2-R3)cotβ]2-12(B2-R3)2cotβθ[B2-(B2-R3)cotβtanθπ-2ββ(R-R3)φφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφ(6)则铲斗斗体内物料体积V1可表示为:
    (7)铲斗上部料堆体积V2和V3的计算铲斗上部料堆的空间形状是以斗底截面为投影的不规则复杂几何体。为利于工程应用,本文同样将上部料堆形状简化为规则的简单几何体,如图5所示;同时采用修正系数法补偿由于简化引入的体积差,并将这部分体积补偿系数整合到式(2)的kV中。基于上述简化方法,V2和的计算式分别为:
    γ(8)(cosHγ)2-214(cosHγ)3(9)铲斗截面周长的计算在保证铲斗容量的前提下,如何减轻铲斗重量,一直是铲斗设计者们致力解决的问题。要确定铲斗结构参数对铲斗重量的影响,则需要明确铲斗截面周长的计算方法。由图4可以看出,铲斗单侧截面周长L由3段直线长ΣLz和4段圆弧长ΣLh构成,其计算式如下:
    ΣLz+Σββ2-B1-R1tanΣΣπ-24φββsinφ-R1tanφΣπ-24φ-R2tanφ+(10)φββ-R2tanφ-R3cosβ-R(1-cosβ)β+R3πφΣ2-β+R2φ+R1φΣπ2-φ铲斗优化设计数学模型
    优化设计是以数学规划理论为基础,以计算机为工具,优选设计参数的一种现代设计方法。机械优化设计是在满足一定约束的前提下,寻找一组设计参数,使机械产品单项或多项设计指标达到最优的过程[3]。
    设计变量选取决定铲斗容量Q和铲斗重量的结构参数作为设计变量[4-5]。由式(2)~式(10)可知,铲斗结构优化的设计变量如下:
    ,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10,,H,B1,R,φ,R1,R2,R3,γ,D,Q](11)目标函数铲斗容量的设计值给定之后,往往在满足铲斗设计容量的基础上,还需要使铲斗的重量尽量小[6-7]。因此本文将斗体截面周长与面积的比值作为优化目标,目标函数如下:
    (x)=L(x)(sx)(12)约束条件由于设计变量均为铲斗结构参数,因此几何约束是主要的约束条件。通过合理地设置设计变量的上下限,来保证铲斗结构不会发生几何干涉。
    对于铲斗的斗体宽度B、高度H和深度D这3个设计变量,在给定铲斗容量设计值Q的条件下,可分别根据经验公式计算得到[1],然后上下各取15%作为变量范围,则其约束条件分别为:
    姨3Q-B≤≤B-1.15kB姨3Q≤0(13)姨3Q-H≤≤H-1.15kH姨3Q≤0(14)姨3Q-D≤≤D-1.15kD姨3Q≤0(15)上述式中:kB,kH和kD均为经验系数,分别取1.1,0.95及0.88。
    对于设计变量B1和R,它们的取值与斗体宽度B有关,为防止几何干涉,将B1和R的取值分别限制在及2.5B~4B之间,其约束条件分别为:
    ≤≤B1-0.25kB姨3Q≤0(16)×kB姨3Q-R≤≤R-4×kB姨3Q≤0(17)要形成上部料堆的几何形状,其约束条件为:
    γ≤0(18)(V1+V2+V3)≤(≤V1+V2+V3)-1.1Q≤0(19)其他设计变量的变化范围可根据现有的设计经验,以及国内外主流产品的结构参数范围给定,如表2所示。
    此外,根据SAEJ67—1998标准,当铲斗处于停斗位置时,斗唇的顶端应略高于铲斗水平端。因此,在对铲斗结构进行优化设计时,应该给出斗唇高度最小值来作为斗唇设计的参考。由图3可知,最小斗唇高度hlip的计算公式为:
    γ(20)优化程序设计及结果可视化
    随着对机械产品设计质量要求的不断提高,优化设计方法与可视化技术的结合越来越多地应用到产品设计中。优化设计的可视化首先需要通过相应的优化方法得到符合约束条件的最优解,然后利用三维建模软件和相关分析软件,在产品制造出来之前对其性能进行模拟,尽早发现设计中的缺陷和错误,进而及时修改,以提高产品设计质量,降低研发成本,缩短生产周期[8]。
    优化程序设计
    软件在工程计算中具有其他软件不可比拟的矩阵处理能力和成熟的算法工具箱,为优化计算提供了非常便利的条件。MATLAB专用的优化工具箱为典型工程优化问题提供了便于操作的GUI对话界面,进一步方便了工程应用。因此本文利用已经建立的优化设计数学模型,使用MATLAB软件编写了铲斗结构优化设计程序。程序包括目标函数、约束条件函数和主函数个程序文件,使用MATLAB中默认的优化算法进行优化计算。
    本文以WK-75型机械式挖掘机为研究对象,对铲斗结构进行了优化设计与分析。首先对该挖掘机铲斗结构参数进行初步测量,并通过计算得到原始铲斗结构所对应的一组计算结果;然后利用本文建立的数学模型对铲斗结构进行优化设计,得到优化后的铲斗结构以及所对应的另一组计算结果,表3中列出了优化设计前后设计变量的变化情况,表4则列出了优化前后各评价指标的变化情况。
    从表3中可以看出,优化后铲斗各设计参数变量均发生了较明显的变化,其中倒角宽度B1和倒角倾角φ分别从0.88m和15°增大到1.16m和60°,使得铲斗内腔更接近圆形,从而达到增大容积的目的。
    从表4可以看出,铲斗的截面面积As和截面周长分别从15.72m2和7.1149m变化到18.21m2和6.46m,使得铲斗的长积比L/As从0.4527m-1变为0.3528m-1,降低了22.07%,即优化后的铲斗能够以较轻的重量得到较大的容量;此外,铲斗的深度D比原设计有所降低,这种结构变化有利于提高铲斗工作时的满斗率;斗唇最小高度hlip由1.48m增大到1.59m,可以增大上部料堆体积(V3+V2),有利于改善铲斗的装满率。因此,优化后的铲斗结构要优于原设计结构。
    优化结果可视化
    优化结果的可视化需要以优化后的设计变量值作为设计参数,利用三维建模软件生成铲斗基本结构的三维实体模型。
    本文使用VisualStudio平台,利用Vb.net语言开发了铲斗结构优化设计与可视化软件。在软件中加载了MatrixVB插件,使得该软件可以脱离MATLAB软件独立在Windows系统中进行优化计算;同时,在软件中调用,用优化计算的结果直接驱动SolidWorks软件进行三维实体模型的绘制,如图6所示。
    除了优化计算与调用SolidWorks软件进行三维建模之外,该软件还增设了另存优化结果的功能。该功能不仅可以将自动生成的三维模型另存为指定路径下的独立文件,还可将优化计算结果复制到.txt文件中进行保存,便于将不同设计结果进行对比。
    结论
    (1)基于SAEJ67—1998标准,推导大型矿用机械式挖掘机铲斗容量的计算式,确定铲斗结构参数对铲斗容量及铲斗重量的影响,为铲斗结构设计提供理论基础。
    (2)在建立铲斗结构优化数学模型的基础上,开发铲斗结构优化设计软件,在该软件中增设三维模型生成及另存的功能,可实现结构优化与可视化技术相结合,为提高产品设计质量,缩短生产周期创造条件。

    (3)对WK-75型矿用机械式挖掘机铲斗进行优化设计,优化后的铲斗能够以较轻的重量获得较大斗容,证明了铲斗计算方法及优化设计模型的正确性,为合理设计铲斗结构提供了理论参考,具有一定的应用价值。


本文由 挖掘机破碎铲斗 整理编辑。

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