矿用机械式挖掘机铲斗的原理设计探讨

矿用机械式挖掘机铲斗的原理设计探讨

作者：雷黎明

来源：《山东工业技术》2016年第11期

摘要：铲斗是挖掘机的重要组成部分，其对挖掘生产的效率有着决定性的影响，同时，铲斗的设计对挖掘机的稳定性也是十分重要的。本文将简单介绍一些矿用机械式挖掘机铲斗的设计要求，并介绍一些如离散元、智能控制等先进技术，在铲斗设计中的应用，为铲斗的结构合理设计和提高铲斗效率的提高提供一些参考。

关键词：矿用；机械式挖掘机；铲斗；原理探讨

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.11.015

0 前言

挖掘机是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘机挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。近来，挖掘机的发展较快，已经成为工程建设中最主要的工程机械之一。由于机械式挖掘机的生产效率比较高，运行稳定性优良，所以被广泛的应用于采矿作业中。由于铲斗是最直接的工作部件，其面临的损耗和冲击也是最大的，因此铲斗的设计方面应该予以足够的重视。

矿用机械式挖掘机铲斗的设计，直接关系到铲斗能否符合挖掘工作的要求，对其挖掘的效率和挖掘的寿命有着最直接的影响，因此也有必要对机械式挖掘机铲斗的设计进行研究。当前，国外已经有比较成熟的设计理念和分析手段了，如一些主流的设计铲斗的公司，分别针对铲斗挖掘物料的不同来进行不同的设计，并利用有限元等现代技术对铲斗的强度和效率等待呢个进行分析。观之国内，目前还处于起步阶段，其设计与分析还采用借鉴模仿的方式。在这方面国内还有很长的一段路要走。

1 机械式挖掘机铲斗的结构设计特点

通常来说，常见的机械式挖掘机的铲斗由斗体、斗唇、斗齿、斗底及一些耳板、护板焊接而成的。铲斗斗体应保证足够的强度和刚度，它是主要的切削和支撑部件；斗唇是铲斗与斗齿的连接部分，斗齿的作用是减少挖掘阻力。磨损较为严重，所以在斗齿的材料选择上应采用耐磨铸件；斗底的作用主要是承载物料，斗底还设置有开斗机构，可便于物料的卸出。

在矿用机械式挖掘机铲斗的设计中，需要综合考虑下面几个因素：（1）需要保证铲斗有足够的强度与刚度，矿用机械式挖掘机铲最主要的作用是挖矿，其工作的物料对象的硬度和轻度都是十分明显的，矿用机械式挖掘机铲斗的设计如若缺乏针对性的设计，往往造成铲斗寿命

的缩减。（2）需要对铲斗的结构设计进行分析，合理设计。只有合乎标准的铲斗设计，才能保证铲斗的形状合理，在减小挖掘时，可以使阻力达到最小，同时，合理的形状也是对铲斗的物料卸出十分便利的。（3）在矿用机械式挖掘机铲斗的设计中，也要注意保证结构的简单与铲斗强度的关系，在保证强度的同时，做到最大的装卸量和便于维修更换，也是在设计中需要注意的问题。

2 铲斗设计工作中的先进技术应用

当前科技的发展，也带动了很多行业的发展，在铲斗的设计中，很多先进而成熟的技术被引入进来，如有限元技术、离散元技术、自动称量技术和智能控制技术的等等。这些技术的应用，直接减少了铲斗设计周期，提高了铲斗性能，对机械式挖掘机的铲斗整体技术的提高都起到了很好的促进作用。

2.1 有限元技术应用

当前，对机械式的挖掘机铲斗的设计上，VR Steel公司用有限元分析的技术对其进行应力分析，这中分析设计和其后的使用，最直接的降低了铲斗的载荷，对铲斗的寿命提高起到了很大的作用。而BUCYRUS公司应用有限元分析，并结合试验样机、变形测量等等技术，在机械式挖掘机铲斗性能提升上得到很大发展。

2.2 离散元技术应用

在机械式挖掘机铲斗的应用场景中，往往环境复杂，面对物料种类多样，且涉及到及土壤力学和散体力学方面的问题，这些都对建模和系统性的实验造成了相当大的阻碍。

离散元技术的实际运用中，中国吉林大学与太原重工有过合作，曾利用离散元技术进行仿真分析研究，对象是75m3 机械式挖掘机铲斗。这次仿真分析研究实现了铲斗挖掘物料的过程可视化，同时分析了铲斗动态力学响应和松散物料在铲斗内的流动特性，为机械式挖掘机铲斗的结构设计提供参考。

离散单元法在求解与分析颗粒-结构相互作用方面有着很大优势，同时，对特定物料的参数，则需进行专门的试验取得。

2.3 自动称量技术应用

在机械式挖掘机的铲斗作业中，往往需要有专员来记录装载的车数并估算挖掘的产量，这样不仅对人力的要求比较大，在估算产量方面也容易造成误差。针对这种问题，太原重工开发了一套自动称量系统。这种系统有一种可编程逻辑控制器，能读取提升和推压电机的整个受力过程，并根据铲斗位置和受力的情况，计算得出铲斗内物料的重量。

2.4 智能控制技术应用

当前的铲斗操作比较复杂，其过程中需要进行十二到十八个动作，且全部动作需要人工来操作。这样的操作往往费时费力，且精准性较差。因此智能控制技术有很大的发展空间。

同时，矿用机械式挖掘机铲斗的工作环境往往十分复杂，在减小挖掘阻力和降低能耗的要求下，实时监测技术也需要尽快的应用于铲斗上，这样可以实时的了解铲斗受力情况，达到智能化控制的要求。

目前，P&H公司的2300XP 型挖掘机的铲斗已经可以实现远程监控与实时分析联合作业。不过，当前铲斗设计中的智能控制的可靠性还比较低，其应用也因此受到一定的制约，所以在铲斗的设计中，要逐步利用好当前先进的智能化控制技术，使铲斗的设计的智能化与技术一起不断进步。

3 结语

总之，在矿用机械式挖掘机铲斗的原理设计中，一定要注重铲斗的结构的强度和刚度，保证铲斗结构形状的合理，以此促使铲斗在挖掘过程中减小阻力，并做到耐冲击、抗磨损的效果。同时，先进的设计理论的不断出现，与现代先进技术的融合，为铲斗的设计方向提出了新的要求，未来铲斗设计的发展也必然向着精准化、智能化的方向加速前进。

参考文献：

[1]侯亚娟，毕秋实，张永明，李爱峰.大型矿用挖掘机铲斗结构优化设计及其可视化[J].工程机械，2014（06）：33-38+7-8.

[2]侯亚娟，王吉生，李爱峰，李婧锡.离散元法及其在铲斗设计中的应用[J].工程机械，2014（04）：23-29+91.

作者简介：雷黎明（1982-），男，土家族，湖北长阳人，硕士在读，教学办主任，讲师，高级技师。