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关于挖掘机设计与发展的研究
作者：孙风超
来源：《建筑建材装饰》2014年第11期
摘要：挖掘机在我国经济建设的发展过程中起到了至关重要的作用。随着经济的高速发展，城市建设发展越来越注重挖掘机设计的能力和应用。本文主要从挖掘机的设计以及发展方向进行了分析。
关键词：挖掘机；设计；斗杆动臂 前言
挖掘机从诞生至今已有近百年的历史，走过了漫长的道路。挖掘机的行走系统从铁道轨轮发展到履带式，形成“四轮一带”。由于电的出现，从庞大的蒸汽机发展到发电机组，从单发电机组驱动向多电机驱动，又从发电机组发展到多交流变频电动机驱动，由单机传动向多机传动发展，使控制由低级向高级发展，逐步趋向完善。 1设计的发展方向 1.1挖掘阻力确定问题
目前，阻碍设计的问题仍是外载荷—即挖掘阻力的确定问题。现在，国内对挖掘机的外载荷确定仍采用前苏联学者于上世纪50年代提出的挖掘阻力计算公式，即w=swbc，式中sw—挖掘对象的物理性质，称之为挖掘比阻力b—铲斗宽度c—切削深度，该公式经国内东北大学试验证实，基本反映了切削过程的实质，具有很好的可操作性，为设计做出了不可磨灭的贡献。但该公式是基于实验室的试验和经实际挖掘验证，受当时条件所限，没有考虑到挖掘过程是随机过程的特点。时至今日，随着测试技术的发展，为解决这个历史问题，创造了许多有利条件，因此外载荷的确定应以现场测试为主，可基于原挖掘阻力计算公式的型式，针对常用的铁矿石、岩石及切削深度，进行挖掘阻力测试，然后做二维随机变量的统计分析，建立符合实际情况的挖掘阻力计算公式，这样对确定后续参数（如电动机功率、结构件强度），建立可靠的依据。
1.2设计原理方面的研究 1.2.1以采矿工艺需求为设计驱动
各工作尺寸，如最大挖掘半径、最大挖掘高度、最大卸载半径及最大卸载半径的高度等确定，应紧密结合采矿工艺，以采矿工艺要求为设计驱动，确定其工作尺寸。 1.2.2结构件的设计原理研究
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（1）铲斗铲斗直接接触被挖掘对象，其斗形合理与否，对挖掘阻力影响很大。可借鉴国外的经验，确定合理的斗形，再经强度、刚度分析，进行修改与完善。目前国内斗形合理性的研究几乎没有做，应开展此项工作。
（2）铲斗和斗杆动臂的受力状态基本上是压弯实腹式构件，根据力学理论，从静动强度、刚度出发（其长度由采矿工艺定），采取精确解法，即可确定动臂的主要经济结构（宽、高）尺寸。斗杆的受力状态基本上为压、弯、扭的构件，由力学理论，采取精确解法，确定其经济结构尺寸。
（3）工作装置的优化工作装置在结构上由铲斗、斗杆和动臂组成。在动力上，是由提升系统、推压系统共同协调完成挖掘动作，是决定挖掘性能好坏的关键。工作装置的优化工作已有人先后做了工作，先是从挖掘工况出发进行了优化设计，后从挖掘过程出发，以挖掘轨迹入手，进行动臂几何尺寸（含推压轴位置、天轮半径及天轮轴位置）的优化，确定挖掘后角和其它几何参数。但目标参数的确定及处理等，还有待于深入。因为工作装置的优化是属于多目标函数问题，量纲不统一，建议采用parto方法处理；另外约束条件应考虑全面，多体现出设计原理。
（4）4铰点位置的设计原理及研究4铰点位置是指动臂（或起重臂）铰点与A型架3铰点位置的确定。应遵循一个原则，即在各个工况下（如开始挖掘；斗杆水平推出，提升绳垂直斗杆；斗杆水平全推出等），动臂受力状态最好，其合力矩尽量小。 1.3挖掘理论的新探讨
挖掘理论的研究主要是确定挖掘阻力，是确定提升、推压电机功率的依据。按照前苏联学者的论点，是确定挖掘阻力。但直接测试挖掘阻力是有困难的，只能测试推压力、提升力，并记录斗尖位置，而后经计算间接得到挖掘（切向、法向）阻力，显然是有误差的，在工程上是可接受的。根据太重测试的情况看，测试工作复杂、且耗资大。本文提出这样的办法：直接测试推压提升电机功率、推压提升速度，并记录齿尖位置，对一种样机和挖掘同种矿石，尽量测试多个样本，然后统计分析；再对不同种样机（至少3～5种）挖掘同种矿石，对提升推压功率等参数测试，得到的数据做统计分析，找出功率与斗容量和工作尺寸的数学模型；经反复验证，求得合理值，用于设计中。这样使测试工作变得简单，且不影响生产，易实施。 1.4大型化
大型化是机械装备的一个主要发展方向。由于许多工艺过程需要的机械设备须向大型化发展，一是提高效益，二是工艺过程所需。发展总的趋势是小型向大型发展，小斗容向大斗容发展，最大斗容为55m3。总之，向大型和高效化发展是当前的发展主流。 1.5信息化方向
信息化方向包括自动化、智能化、数字化和网络化等。
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1.5.1自动化
挖掘机在15～60s，需要12～18个动作操作，体力劳动大，须实现自动控制。自动化不仅仅是以减轻人们的体力劳动，提高设备工效为目标，目前，正在向更高水平发展，逐步由自动控制、自动调节、自动补偿和自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护和自修复。对挖掘机应有斗重测量仪、斗杆伸出测量仪、提升绳缩短量测量仪、提升和推压力测量仪、提升和推压功率测量仪、稳定性控制仪，以便实时了解设备运行状态和实施实时控制，并为设计提供参考数据。
1.5.2智能化
智能化一方面是作为完成工作的手段，如通过计算、单片机完成某种工作，另一方面是作为产品应实现的目标。本文提到的智能化是两者的综合，能根据外界的具体条件，使工作稳定、可靠，发挥更大效益，实现本目标。智能化是机械设备的发展方向，可采取软件嵌入系统的办法：即在挖掘机中嵌入软件系统，将软件直接嵌入到设备中，能对工作状态进行实时监测，对主要参数—提升推压力、速度、及铲斗位置，实现智能控制、自动避障与优化，从而在恶劣载荷情况下，做出最优挖掘等参数的判断。获得具有明确目标的各种功能是未来的发展趋势，美国在这方面做了有益的工作。 1.5.3信息化方向的设计理论与方法
主要包括智能化设计、可视优化设计、虚拟设计和工作过程可视化数字化，使人们了解实时情况，也是当前研究的热点。 2设计及技术上的几个问题
我国挖掘机的发展应紧密结合“国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006～2020）”的要求，开展极端制造技术的研究。目前挖掘机的设计理论体系还不完善，要提高具有自己知识产权的设计能力，除了应开展挖掘机的设计原理方面的研究之外，还需做好以下工作。 2.1科学发展观指导下的设计理论和方法
（1）创新设计创新是民族生存的能力，是改变“复制有余，创新不足”现象的根本办法。为提高创新能力，应学习与领会创新理论和方法，首先尽快地培养出创新思维，形象思维和逻辑思维的结合就是创新思维，这样才能培养出创新能力。
（2）绿色设计对于机械设备，绿色设计主要体现在噪声消除和自行拆装设计。 2.2提高产品综合质量为目标的综合设计法
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以产品综合质量为目标的综合设计法是当前设计方发展的方向，即在最大范围内来满足用户对产品综合性能的要求，真正体现以用户需求（含显需求和隐需求）为驱动的设计思想。挖掘机综合（或广义质量）性能应包括结构性能（系统可靠性，人机安全性）、工作性能（稳定性，运行稳定性，工效实用性）和工艺性能（零部件规范性，通用性，制造工艺性，制造经济性）。要达到此目标就要采取。
（1）功能优化设计、动态优化设计和智能优化设计在结构形式上，采取拓扑优化，合理解决强度和可靠性问题，为详细设计提供科学依据。在设计合理完善的情况下，建立挖掘机的计算机辅助工程设计与分析软件，进而实现数字化设计，确定出最佳功能和满足要求的参数。 （2）大型设备的可靠性研究因为决定挖掘机工作能力的主要不是静力强度，而是疲劳强度，因此疲劳强度的研究应作为重点考虑是必要的。大型焊接结构件的疲劳计算，在我国尚缺乏成功经验，为了达到可靠，应做测试，形成应力载荷谱，方可做进一步工作。
（3）挖掘机的平衡及稳定性的研究平衡及稳定性的合理研究，是指将平台上所有设备及支撑铰合理布置，使平衡重合理，这是其一；其二是通过对实际情况的研究，找出最合理的计算方法，并用于实际。
（4）结构的动态设计理论随着挖掘机的大型化和数字化、结构的动态特性和动态响应越来越被人们重视。机器振动对操作性能、结构疲劳和人体功能等影响很大，这方面工作的开展尤为重要，起升机构，运动机构和回转机构，制动过程中的动态激励问题，堵转问题，对结构件的影响，尚有许多研究工作要做。
（5）新材料急需高强度低碳钢可焊性好的合金钢，对降低臂架、铲斗重量，提高挖掘量，是大有帮助的。 3结语
总而言之，挖掘机设计对我国的经济发展有着深远的意义，加强挖掘机在这一方面研究力度将可以促进挖掘机应用的性进步。 参考文献：
[1]邸丽伟.机械式矿用挖掘机动臂结构优化设计研究[D].长春：吉林大学，2013：1―93 [2]罗贞平.矿用机械式挖掘机技术探索[J].煤矿机械，2012（11）
[3]李荣鹏.液压挖掘机设计专家系统研究[D].杭州：浙江大学，2012：1―88
