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装载机铲斗斗形设计小议

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/3/8     浏览次数:    
装载机铲斗斗形设计小议
  摘要:指出装载机铲斗斗形设计的作用和意义,对装载机铲斗的分类和影响铲装性能的主要参数进行讨论,介绍目前一些经验性的装载机铲斗斗形设计方法,讨论铲斗斗形设计的相关理论问题和关键技术。
  关键词:装载机;铲斗;斗形设计;

  铲斗是装载机用来铲装、运输和卸载物料的工具;铲斗形状的合理设计,有利于减少插入阻力,提高整机生产能力和工作效率[1]。从设计过程看,铲斗斗形设计是装载机(正向)设计的“设计前端”,铲斗铲装过程的受力情况和对物料做功的多少是装载机整机和其他子系统(发动机、液压系统和传动系统等)的设计依据和出发点。因此,铲斗斗形设计直接影响整机性能,是装载机整机设计中十分重要的部分。

  目前,国内工程机械领域对装载机铲斗斗形设计的关注不多。一方面是因为我国装载机产品设计还在“模仿设计”的模式下进行,对铲斗斗形参数如何影响铲装效率的认识和理解不深;另一方面,铲斗斗形设计需要铲斗作业阻力的研究作为支撑,而这是一项难度大、周期长、投入高的研究课题。国内的工程机械企业虽处于高速发展阶段,但与国外某些知名企业相比,无论是资金投入还是技术水平都还存在较大差距。因此,从“效益/投入”的角度考虑,研发工作较少涉及铲斗斗形设计。然而,我国的装载机设计如果想要从“模仿设计”转为“正向设计”,铲斗斗形设计及其作业阻力研究又是我们不得不面对和解决的问题。
  本文综述目前装载机铲斗斗形设计的相关问题:介绍铲斗的分类,斗形设计的主要参数,目前斗形设计所采用的经验性方法和观点,以及斗形设计的相关问题和关键技术。希望为进一步的装载机铲斗斗形设计研究打下良好的基础。
  1铲斗的分类
  装载机铲斗的分类其实是一种针对工况(物料)的分类。由于工况和物料的类型千差万别,目前的装载机制造厂商一般是按照物料的容重把物料分成若干类,为每一类物料设计一种铲斗,以满足该类物料的铲装要求。
  国内的装载机制造厂商对铲斗分类较粗,通常会提供3类铲斗供选配——岩石斗、通用斗(标准斗)和加大斗(松散物料斗)。一种机型一般只有一款通用斗,以5t级机型为例,通用斗斗容多为3m3。
  而国外制造厂商给出的铲斗分类较细,更有利于满足不同工况的客户需求,有助于提高整机的作业效率。例如:某名牌5t级机型,即图1中机型1(为避免知识产权问题图1中将公司名称省略),按照物料容重大小可选配5种型号的通用斗,每一种斗又有3种配置(分别是带斗齿,不带斗齿以及斗齿加防磨底板)。通用斗的斗容为2.5~3.5m3,覆盖了容重在1.42~2t/m3的物料范围。图1给出3款国外名牌5t级机型的铲斗分类。图1中括号内的数字代表厂家提供选配的铲斗数量。
  另外,装载机厂商还会按照不同的安装形式(如是否带快换装置),不同的工作装置性质(如是不是高卸斗),或者特定的物料类型(如煤斗、垃圾斗或钢渣斗等),给出专门的铲斗类型和配置。
  由于铲斗是按照工况(物料)分类,在铲斗设计时要求设计者了解目标工况的物料性质,主要包括:物料的容重、安息角等[2]。土方工程中把土壤(广义上的土壤,包括岩石)按开挖难易程度分为16级,文献[3]给出了工程机械主要涉及的I~VI类土壤分类和主要性质。
  2铲斗斗形设计的主要参数
  装载机铲斗一般由前刃板、斗底壁、后壁、侧刃、侧壁、挡板以及铰接耳板等焊接而成。一般来说,铲斗的形状(即斗形)可以用其断面(横截面)的形状来表征,如图2所示。各斗形参数的符号说明见表1,后文均采用表1中的符号进行论述。
  铲斗设计中,铲斗几何形状的确定方法有两种。一种是以铲斗回转半径R0为参照,其他尺寸都表示为R0乘以一个系数[4],本文称之为“回转半径模型”。该模型的优点是简单易用,通过系数描述了斗形。刘述学等[5]认为这样的描述方法未能很好地反映铲斗各种性能和参数的相互关系,原因是:(1)R0并不是铲斗的基本参数,只是设计装载机工作装置的主要尺寸。(2)使用的系数过多,不利于分析各个参数对几何形状(乃至性能)的影响,不便于对参数进行试验研究。(3)按回转半径模型得到的参数计算结果之间可能存在矛盾,需要进行修正。因此,另一种斗形参数模型[6]通过E0、底弧比D=L/R、侧刃角E1[5]和挡板高度系数G=M/R确定铲斗的几何形状,见图2,本文称之为“基本四参数模型”。它的特点是用参数之间的比值来描述斗“形”,减少了经验系数的使用,简化了计算过程,有利于研究和分析铲斗参数对其工作阻力的影响。需要说明的是,回转半径R0和斗底角E2也是两个重要的参数,因此在图2中也同时标识出来。
  杨占敏等[4]给出了另一种基本四参数模型,它通过选择E0,R0,L和H[4]来确定铲斗断面的几何形状,参见图2。两种基本四参数模型非常类似,几何意义是一致的。前者侧重“形”,反映铲斗各个主要尺寸的比例关系,适合研究斗形参数和其性能的关系;后者则较为直观,有利于测绘和作图。
  3斗形设计的经验性方法
  3.1铲斗设计的一般过程铲斗设计一般是以原来经过实践的合理斗形作为基型,做相似设计[4]。
  对于回转半径模型,回转半径R0为给定值,或根据斗容和经验系数对回转半径R0进行经验计算。以铲斗回转半径R0为基本参数,辅之以经验系数(其他斗形参数与回转半径的比例系数),如:
  斗底长度系数、后壁长度系数和挡板高度系数等,来确定铲斗斗形的各个主要参数。详细设计过程可参阅文献[4]。
  对于基本四参数模型,首先输入机器额定载重量G和斗宽B0,确定铲斗张角E0、底弧比D,通过计算获得额定斗容。然后,确定斗容换算系数,从而将额定斗容换算为几何斗容,计算获得铲斗截面积。
  接着再确定E1,R,L和M等参数。具体参数确定方法见下一节,具体过程见文献[6]。
  3.2铲斗斗形设计的经验性观点正向设计模式下的铲斗设计,需要针对不同物料进行铲斗作业阻力研究,根据试验结果给出的“参数-性能”设计关联关系,以此作为铲斗参数设计的依据和参考。在以往的产品设计和研发中,设计者们对某些“参数-性能”设计关联有了一定的认识,但并不全面,以下把这些经验性方法和观点做归纳和总结,希望能对设计人员有所启发。
  3.2.1斗容标准斗用来装载容重1.4~1.6t/m3的物料(如砂、碎石和松散泥土等);松散物料斗是标准斗容的1.4~1.6倍,用来铲装容重为1.0t/m3左右的物料(如煤、煤渣);矿石斗斗容为正常斗容的60%~80%,用来装载容重大于2t/m3的物料(如铁矿石、岩石等)[8]。
  在根据物料和机型的额定载重量确定了斗容大概范围之后,具体的斗容大小的选取和确定遵循GB/T21942—2008《土方机械装载机和正铲挖掘机的铲斗容量标定》中对斗容系列的规定,优先选择第一系列的斗容作为设计目标。
  3.2.2插入阻力文献[6]给出了铲斗插入阻力的的经验公式,Fx=AeBx,其中x为水平插入深度,插入力Fx与水平插入深度呈指数关系,A和B为相关系数。该研究设计了9种铲斗作对比试验;其中,E1=40°,D=1.6的设计方案插入阻力最小。试验结果表明:铲斗几何形状对插入阻力影响大;满斗系数和插入深度呈线性关系。但作者还认为,铲斗几何形状对满斗系数影响不大。
  3.2.3铲斗张角E0和底边长度L张角E0应该等于所铲物料料堆的堆积角α。
  E0<α时,插入料堆一定深度后,铲斗后壁上缘将与物料接触,增加插入阻力;E0>α时,会使铲斗的满斗系数降低,同时可能因动臂的限制导致铲斗在地面位置的上翻角度减小[6]。
  为了在最高位与最大上翻角时不撒料,后挡板应略高于前刃。铲斗下铰点应尽量靠近铲斗的后壁和斗底,同时要保证有足够的强度。
  当底边L过长时,则铲斗的铲起力变小,由于前悬增大,影响车辆行驶的平稳性。插入料堆的插入阻力与刃口的插入深度急剧地成比例增加。相反,如底边短,不但铲斗的铲起力大,相应的插入阻力也小,容易装满,但运输时容易撒料;卸料时,斗刃口的降落高度小,易于将物料卸净,有助于增加卸高。
  3.2.4铲斗铰点布置铲斗下铰点B(见图2)要尽量靠近铲斗后壁和斗底,但又要保证该点有足够的强度。B点距斗后壁之间的距离h与额定载重量G之间的关系为:
  h=15×(G)1/5(mm),G的单位为kg,铰点B距斗底的距离为姨2h。如果是六连杆机构的装载机,铲斗的上下铰点距离不宜过大,否则会增加铲斗连杆机构尺寸,给结构布置带来麻烦[7]。为提高掘起力,铲斗铰销的位置以近于刃口处为好,在极端时也有将铰销布置在铲斗内部的情况[8]。
  3.2.5侧刃角E1郭凌汾等[6]分别取侧刃角E1为90°,75°,60°和45°,在相同的物料中,以相同的切削速度和切深测试水平阻力,没有发现铲装效果的明显差异,因此,认为侧刃角对水平切削阻力没有影响。设计时,只考虑到铲斗在最大举升高度与最大上翻角时应使斗面近于水平,以减少物料的撒落并增大满斗系数,一般取E1=50°~60°。有些加大斗(松散物料斗)出于增加斗容以及与机构设计匹配的考虑,取E1=75°。
  另外,侧刃的形状大致可分为外凸弧型、直线型和内凹弧型3种。分别适用于松散物料斗、通用斗和岩石斗。而这3类铲斗的侧刃角大小呈由大到小的趋势,可能是出于减小插入(切削)阻力的考虑,这与文献[6]的观点有矛盾。
  3.2.6斗底弧半径R斗底弧半径R影响物料在斗中的流动性。一般认为,斗底弧半径越大,物料在铲斗中的流动性越好。流动性好有助于减小铲装阻力,卸料快而干净。
  但R过大会造成铲斗不易装满,且铲斗外形较高会影响司机观察铲斗斗刃情况[4]。
  3.2.7前刀板的形状和斗齿铲斗切削刃形状根据物料种类的不同而设计不同的形状。直线型切削刃简单并利于地面刮平作业,但切削阻力较大。非直线型切削刃有V形、弧形和梯形等。这些切削刃由于中间突出,在插入料堆时,插入力集中作用在斗刃突出部分,易于插入料堆;同时对减少“偏载切入”有一定的效果。非直线型切削刃的缺点是满斗系数要小于直线型斗刃。
  带斗齿的铲斗易于插入料堆,经验证明:插入阻力能减小20%,特别是对料堆比较密实、大块较多的情况。斗齿的形状和间距对切削阻力有影响。一般中型装载机的斗齿间距为250~300mm。齿间距太大,前刀板切削刃直接参与插入工作,使得阻力增大;齿间距太小,齿间易卡住石块,也将增大阻力。长而窄的齿要比短而宽的齿插入阻力小,但太窄又容易损坏,所以齿宽以单位长度载荷不大于500~600kg/cm为宜[4]。
  3.2.8斗形基本参数之间的耦合关系郭凌汾等[6]给出了基本四参数模型中4个参数的相互影响和关联关系:
  1)侧面积一定时,E0对R无影响;2)侧面积一定,D增大时,R迅速减小,L和R0迅速增加;3)侧面积一定,E1增加时,R和R0略减。
  上述观点给出了铲斗基本参数之间的相互关联关系,有助于在设计铲斗时进行参数优化。还有一些经验性的设计观点未一一列出,有兴趣的读者可查阅文后给出的参考文献[6-10]。
  4相关理论问题和关键技术
  4.1“铲斗-物料”相互作用理论研究“铲斗-物料”相互作用理论和力学模型,是铲斗斗形设计(乃至铲斗作业阻力)研究的根本性问题[11]。
  但该问题涉及土壤力学、散体力学等方面的研究;由于物料性态多种多样,环境变化复杂,试验和建模较困难。从1973年至今,研究者们对插入阻力已经提出了50多种经验模型,但效果都不太理想[12]。农机领域对该问题研究较深入[13],可供铲斗斗形设计时参考。然而,要建立科学正确的“铲斗-物料”力学模型,为铲斗斗形设计提供支持,还有赖于相关学科和问题研究的进展和深入。
  4.2试验技术试验是检验铲斗斗形设计结果的主要手段,而铲斗斗形设计也对试验方法和技术提出了一些特殊的要求。例如,由于铲装过程中与物料接触,铲斗插入阻力无法通过在受力位置贴片的测量方法获得,而只能在铲斗动臂的铰接点(或附件)选取测力点做间接测量。
  在试验环境方面,国内专门用于铲装试验的试验台和试验场地数量很少,严重制约了相关研究和工作的开展。相信随着工程机械行业的快速发展、各个企业研发意识的增强,研发投入的加大,这一问题会逐步得到解决。
  4.3离散元仿真分析1971年,Cundall博士提出了离散元方法(Discreteelementmethod,DEM),最初应用在岩土力学的研究[14]。经过40多年的发展,离散元方法已经有较成熟的商业化软件可以用于工作装置与工作介质接触模型的仿真分析,如:ITASCA公司的PFC-2D和PFC-3D,DEM公司的EDEM等。在工程机械领域,已经有许多成功的应用案例,例如:以CAT980G的铲斗为原型,对铲斗和土相互作用的仿真模拟[15];VOLVO曾采用离散元仿真分析结果为参考,进行装载机铲斗斗形的优化设计。
  离散元仿真可获取铲斗与物料接触过程中所受到的阻力,为研究“铲斗-物料”相互作用提供有效的方法。然而,采用离散元仿真分析必须输入物料的容重、滑动和滚动摩擦因数和物理颗粒硬度等参数。对于特定物料的参数,需要通过专门的试验方法获得[16],这方面尚有待进一步研究。另一方面,离散元仿真本质上还是一种近似的数值计算方法,其结果与真实值有较大差距。因此,一般适用于定性分析和比较分析的依据。
  4.4连杆机构和铲斗斗形综合设计铲斗斗形设计和工作装置的连杆机构密切相关,如何在综合考虑连杆机构设计的情况下,对斗形参数进行优化设计,是一个值得进一步研究和探讨的课题。
  5结论
  装载机铲斗斗形设计直接影响整机的铲装效率,我国的学者和工程师从20世纪80年代就开始了相关问题的研究,取得了一定的进展[6-10]。铲斗与物料的作业阻力研究是铲斗性能评价和斗形设计的基础,研究难度大,周期长。随着试验环境的完善,以及新的试验和仿真技术的引入,铲斗斗形设计会得到进一步深入的研究。

  本文对铲斗斗形设计的相关研究做了较为全面的介绍,希望有助于铲斗斗形设计工作及其相关问题研究的开展。


本文由 挖掘机破碎铲斗 整理编辑。

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