矿用挖掘式装载机的模拟范文

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《工程设计学报》2014年第四期

1随机载荷模型建立

以铲斗回转中心和斗齿顶点为作用点，沿相互正交的切向、法向、侧向依次将挖装机的铲取载荷分解为切向阻力Ft、法向阻力Fn、侧向阻力Fext（见图1（b））．

1.1法向阻力斗齿顶点对煤岩的正压力Fnp与煤岩力学分布特性密切相关，煤岩的抗压强度（分离煤岩时其单位表面所需最小力）越大，铲取的正压力越大．统计分析，设正压力服从威布尔分布［8］，由此建立Fnp模型的随机过程规律，其分布密度函数fnp（x）和分布函数rnp分别为。式中：b为铲斗宽度；R为铲斗铲取半径；h为铲取煤岩深度；As为铲斗内侧壁面积；Kc为煤岩松散系数，取1．2～1．4；Δρ为密度变化量，煤岩被铲取与滚出、被压实与松散交替变化，是平稳过程，用标准正态随机序列描述。

1.2侧向阻力影响侧向阻力的因素有很多，如铲取煤岩对铲斗内壁的撞击、跌落，铲斗外侧进入煤岩堆的深度差异和煤岩堆塌方等，适合应用双参数因子法［9］研究。

1.3切向阻力铲斗铲取煤岩过程中，被分离的煤岩崩落与未被分离的煤岩塌落不断交替，导致斗齿载荷随机波动，把该过程视为平稳随机过程，其载荷是平均载荷和随机分量的叠加．切向截割阻力一般可用瑞利分布来研究，其密度分布和分布函数分别。

2随机载荷的模拟及结果分析

由于铲斗铲取速度对载荷影响较小，因此本文不考虑铲取速度的影响．取国产某型挖装机工作臂正向工作，在宽为3m、高为1m的巷道装载散体煤岩，铲取深度与时间关系如图4所示．有关参数如下：铲斗铲取半径为800mm，斗宽为600mm，臂伸长量为2．8m，铲斗齿形为B型，散体煤岩最大抗压强度为4．26MPa，摩擦系数为0．58～0．84，松散系数为1．2～1．4，块度大小服从瑞利分布．根据建立的数学模型，运用Matlab求得铲斗从接触煤岩到铲取完成的阻力模拟曲线（见图5，其中图（a）是三向阻力，图（b）为经最小二乘法4次拟合后三向阻力随时间变化曲线，图（c）为由式（16）求得的铲取载荷（三向阻力合成）），载荷统计结果如表1所示。模拟结果表明：1）三向阻力变化趋势不同，都有不同程度的波动；侧向阻力的最大值、均值和波动最小（见表1），其原因是它不在铲取方向上，加之铲斗两侧的受力方向相反，使合力降低．2）切向阻力呈先增大后减小趋势：先增大是随铲取深度增加使铲取煤岩增多引起的；而后略减是由铲取过程逐渐结束，煤岩从铲斗溢出增多所致．在0．626s（α＝39．950°）处有最大值2．9×106N，这与土方挖掘切向阻力峰值滞后不同，这是由于煤岩是离散体，推移阻力Fdq的影响小．3）开始铲取后，法向阻力逐渐增大（见图5（b）），在1．093s（2．5628°）处达到最大值5．7×106N（变化规律与铲取土方阻力规律近似），此后逐渐减小．其中，从α＝20°减小至α＝0°（最大深度）的法向阻力变化小，这是由α＝20°时铲斗顶点的搬运阻力比α＝0°时大所致．铲取过程法向阻力最大值是切向阻力最大值的2倍，其最大波动量为5×105N．4）铲取载荷先增大后减小，在0．835s（α＝22．628°）处有最大值（见图5（c））．虽然此刻各向阻力并非最大，但其合力最大，且呈随机变化．

3结论

1）利用Matlab模拟获得某型挖装机铲取阻力曲线．结果表明：侧向阻力最小，波动也小；法向阻力、切向阻力分别在铲取角为2．5628°，39．950°时达到最大，且法向阻力最大值为切向阻力最大值的2倍；铲取阻力在铲取角为22．628°时有最大值．2）所作的研究为搞清挖装机铲取过程的载荷特征，进一步研究挖装机的挖装性能、机器工作稳定性、使用可靠性等提供了参考．

作者：李晓豁石峥嵘吕良玉吴云单位：辽宁工程技术大学机械工程学院