巨型電鏟新型工作機構性能研究.pdf

1、電鏟是露天開采中的主要的大型裝備之一，用于礦山表面物的剝離和礦石的采裝作業(yè)。我國的電鏟長期依賴于進口，設計開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的電鏟產(chǎn)品，具有積極意義。本文分析了國內外電鏟發(fā)展歷史和挖掘工作機構的演化，以及關于挖掘機構力學性能的研究現(xiàn)狀，結合并聯(lián)機構設計理論，提出了一種新型電鏟挖掘機構，并研究了新型挖掘機構與被挖掘物料的作用模型、挖掘過程驅動與外部環(huán)境之間的關系、挖掘裝置電機能量與動力匹配模型、挖掘能力研究以及挖掘能耗優(yōu)化模型等，為電鏟

2、挖掘機構的設計提供了理論基礎。主要研究了內容如下：
　?。?）研究挖掘鏟斗與物料相互作用過程中阻力特性，提出一種新的挖掘阻力計算模型，為挖掘機構的設計提供理論基礎。與現(xiàn)有的挖掘阻力模型相比，這種模型考慮了挖掘厚度、挖掘切削角、挖掘速度、鏟斗幾何尺寸、被挖掘物料的物理特性等多個參數(shù)，計入了挖掘操作方式因素，并給出了由于鏟斗前端與物料擠壓引起的阻力的計算模型。與現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)結果相比，此模型計算的結果比現(xiàn)有的阻力模型得出的結果更接近于

3、實測結果，準確度更高。
　?。?）根據(jù)挖掘阻力存在最優(yōu)挖掘角原理，三自由度挖掘機構可以實現(xiàn)最小挖掘阻力，通過機構型綜合方法，設計發(fā)明了一種新型三自由度并聯(lián)挖掘機構，和傳統(tǒng)的二自由度挖掘機構相比，新的挖掘機構可以調節(jié)鏟斗的轉角，實現(xiàn)在挖掘過程中以最佳挖掘角進行挖掘作業(yè)，降低挖掘能耗，提高挖掘過程鏟斗裝載滿斗率，并可以獨立完成清障作業(yè)。研究挖掘過程挖掘機構與外部動態(tài)環(huán)境關系，建立了新型工作機構挖掘過程的數(shù)學描述模型，提出挖掘軌跡的確定

4、方法和鏟斗-物料系統(tǒng)重心的確定方法。建立挖掘機構的幾何模型，并在新的挖掘阻力模型基礎上，建立挖掘機構驅動輸入與外部動態(tài)環(huán)境關系的模型。在這些模型的基礎上，得出挖掘過程中挖掘機構各個驅動力的變化和挖掘消耗能量的大小；分析挖掘機構尺寸變化和軌跡變化對挖掘能耗的影響，給出挖掘機構尺寸優(yōu)化和軌跡優(yōu)化的方法。通過對軌跡進行多項式曲線擬合，優(yōu)化多項式方程的系數(shù)，得到近似最佳軌跡。
　?。?）研究外部動態(tài)工作環(huán)境與驅動匹配的關系，建立了新三自由

5、度挖掘機構的能量匹配和驅動電機動力匹配模型：在動力學模型的基礎上，這個模型考慮了外部負載為變化的慣性負載和變化的力矩負載的多驅動系統(tǒng)的復雜情況，通過定義廣義傳動比，得到可用電機空間，并通過優(yōu)化得到驅動系統(tǒng)的最佳傳動比，將這種方法運用到挖掘機構，得到了其能量匹配和驅動電機動力匹配模型。
　?。?）研究挖掘機構挖掘輸出能力空間，提出了兩種計算機構輸出能力多面體空間的算法，在多面體空間性質的基礎上，提出一種建立在機構輸出力的多面體空間基

6、礎上的多自由度驅動電機的動力匹配模型，針對于給定設計要求輸出力是一個空間范圍的情況，通過驅動力與輸出力的空間映射關系，得到驅動力輸入與設計要求輸出力空間的匹配模型。
　　本文主要成果包括：發(fā)明了一種具有自主知識產(chǎn)權的雙斗桿新型三自由度并聯(lián)挖掘機構，能夠實現(xiàn)以最佳挖掘角進行挖掘，提高滿斗率和獨立完成清障作業(yè)；提出了一種考慮物料參數(shù)、鏟斗幾何形狀以及挖掘具體操作方式的挖掘阻力計算模型，經(jīng)過實測證明這種模型更加準確，為挖掘機的設計和性能