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挖掘机实际挖掘仿真及动臂结构改进

机械设计与制造 2019年第4期 51-54页

作者：蔡立贾春玉刘伟燕山大学机械工程学院河北秦皇岛066004

挖掘机作为重要的工程机械,广泛的应用于各个领域,在土石方工程中起着举足轻重的作用。工作装置是挖掘机的重要组成部分,直接参与挖掘工作,其结构的强度、刚度对挖掘机整体性能有着重要的影响。采用ANSYS软件中APDL语言建立有限元模型,... 详细信息

挖掘机作为重要的工程机械,广泛的应用于各个领域,在土石方工程中起着举足轻重的作用。工作装置是挖掘机的重要组成部分,直接参与挖掘工作,其结构的强度、刚度对挖掘机整体性能有着重要的影响。采用ANSYS软件中APDL语言建立有限元模型,将阻力系向切削刃合成,运用雅克比矩阵法建立挖掘机阻力计算模型,将计算结果施加到有限元模型上模拟实际挖掘过程中载荷,同时与实际应力测试结果对比,验证该方法的正确性,在不同工况下对挖掘机有限元模型进行分析,选出最危险工况,对受力最大部件动臂进行结构改进,改进后整体结构最大应力减少46.9%。

关键词：挖掘阻力雅可比矩阵法动臂结构改进

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挖掘方式的分析与最佳选择

矿山机械 2001年第11期29卷 20-21页

作者：李奎贤宋桂秋王新中邹宜民东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110004 太原重型机械有限公司

在分析底取式挖掘、上取式挖掘、振动式挖掘的挖掘方式对挖掘阻力、挖掘速度的影响和优缺点的基础上，提出最佳挖掘方式——混合式（底取式与上取式）挖掘，即沿矿堆斜表面挖掘，以及实现这种挖掘方式的控制参数，使挖掘阻力最小。

关键词：挖掘方式挖掘阻力挖掘速度上取式挖掘底取式挖掘直插式挖掘

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矿用机械式挖掘机力能参数的测试研究

工程机械 1994年第4期 13-16页

作者：周洪彬刘彬李明茂王沿荣燕山大学第一重型机器厂

本文根据大型矿用机械式挖掘帆的结构特点和受力情况,确立了一种新的动态测试方案,推导了挖掘阻力和推压力测试数学模型,并进行了现场动态测试。测试结果用计算机处理,就得了挖掘机力能参数,成功地解决了大型挖掘机动态测试问题,为动态... 详细信息

本文根据大型矿用机械式挖掘帆的结构特点和受力情况,确立了一种新的动态测试方案,推导了挖掘阻力和推压力测试数学模型,并进行了现场动态测试。测试结果用计算机处理,就得了挖掘机力能参数,成功地解决了大型挖掘机动态测试问题,为动态设计提供了依据。

关键词：机械式挖掘机挖掘阻力推压力动态测试

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挖掘机自刃型斗齿的设计

矿山机械 2000年第9期28卷 31-32页

作者：王本生首都钢铁公司矿业公司机械厂河北迁安064404

为10m^3挖掘机设计的新型斗齿，打破了过去传统对称式的设计模式，依照斗齿的磨损规律，通过斗齿工作部分长度的合理配备，重点延长中期使用寿命，以及减少挖掘阻力的设计构思，并经过长时间的应用与考察，认为这种新型斗齿具有独特的... 详细信息

为10m^3挖掘机设计的新型斗齿，打破了过去传统对称式的设计模式，依照斗齿的磨损规律，通过斗齿工作部分长度的合理配备，重点延长中期使用寿命，以及减少挖掘阻力的设计构思，并经过长时间的应用与考察，认为这种新型斗齿具有独特的“自刃”功能。它阻力小、磨损轻，赢得了用户的认同和赞誉。因此这是一个理想的设计，具有广泛的应用与推广价值。

关键词：挖掘机斗齿设计自刃尖挖掘阻力中心位置

基于缩尺实验台的斗轮堆取料机载荷及振动特性研究

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基于缩尺实验台的斗轮堆取料机载荷及振动特性研究

作者：刘炽健湖南科技大学

学位级别：硕士

斗轮堆取料机是一种广泛运用于大型露天矿储料场、大型仓库、煤气发电厂和大型港口码头等散料运输场所的大型连续散料处理成套设备。斗轮机在取料过程中悬臂梁的振动问题非常突出,严重影响工作效率,甚至引发结构失效乃至整机坍塌事故等... 详细信息

斗轮堆取料机是一种广泛运用于大型露天矿储料场、大型仓库、煤气发电厂和大型港口码头等散料运输场所的大型连续散料处理成套设备。斗轮机在取料过程中悬臂梁的振动问题非常突出,严重影响工作效率,甚至引发结构失效乃至整机坍塌事故等。这与斗轮机挖掘对象复杂多变,激励源多且特性复杂密切相关,其中铲斗在挖掘散料时受到来自物料的动态挖掘阻力是十分重要的激励源之一。本文以DQLZ1200型斗轮机为模型搭建的实验台为研究对象,通过离散元法和有限元法,并结合相应的实验研究方法,对斗轮堆取料机在挖掘过程中载荷变化特性、载荷变化影响因素、悬臂响应及响应的影响因素等方面进行了模拟分析及实验。主要研究内容如下:1.根据相似理论,参照DQLZ1200型号斗轮堆取料机,设计和搭建了斗轮堆取料机悬臂动力学特性研究缩尺实验平台。为了验证模型相似性,分别建立了斗轮堆取料机与缩尺模型实验台的有限元模型,对两者进行了模态分析。对比实验台与斗轮堆取料机的模态结果,验证了斗轮堆取料机与实验台具有几何与动力学相似性,同时为后面的响应分析奠定基础。2.建立了离散元模型,仿真分析了斗轮堆取料机斗轮机构取料过程,获得了取料过程挖掘阻力的时变特征。设计进行了实验,对仿真模型的准确性进行了验证。研究发现,铲斗受到的挖掘阻力的大小与斗轮转速在一定范围内呈正相关,即转速越大,挖掘阻力越大,超过一定范围时,转速变化不影响挖掘阻力大小;在一定范围与物料颗粒大小呈负相关,即颗粒越大,挖掘的阻力越小。颗粒过于庞大或者过于细小,颗粒大小的变化不影响挖掘阻力的大小。3.对挖掘过程中悬臂的振动响应进行了计算分析。将所得到的挖掘载荷数据加载至实验台有限元模型中,得到了斗轮堆取料机在挖掘过程中的振动响应。通过与实验测试结果的对比,验证了有限元模型的准确性。研究了悬臂振幅和应力与挖掘载荷特性之间的关系,发现随着挖掘阻力变小,悬臂结构的振幅及应力变小;斗轮转速接近固有频率时,悬臂会发生剧烈振动,会导致悬臂的振幅与应力会出现较大的峰值。

关键词：斗轮堆取料机缩尺模型动力学特性离散元有限元挖掘阻力

基于虚实混合的21.5T液压挖掘机刚柔耦合动态分析

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基于虚实混合的21.5T液压挖掘机刚柔耦合动态分析

作者：马跃飞长安大学

学位级别：硕士

液压挖掘机作为工程作业中主要的施工机械,而工作装置是挖掘机完成挖掘作业的执行机构,其性能的好坏影响着挖掘机整体的作业效率和安全可靠性。在实际作业过程中,由于作业环境的恶劣和挖掘介质的多样性以及挖掘过程中工作装置姿态的多变... 详细信息

液压挖掘机作为工程作业中主要的施工机械,而工作装置是挖掘机完成挖掘作业的执行机构,其性能的好坏影响着挖掘机整体的作业效率和安全可靠性。在实际作业过程中,由于作业环境的恶劣和挖掘介质的多样性以及挖掘过程中工作装置姿态的多变性,导致了作业过程中铲斗受到的挖掘阻力难以准确计算,进而使得工作装置上各个构件所受到的载荷不准确。基于以上问题,本文以某21.5T反铲斗液压挖掘机为研究对象,运用离散单元法计算多种工况下铲斗所受的挖掘阻力,并将工作装置柔性化,进而分析在作业过程中工作装置的动态特性。论文主要内容如下:(1)建立工作装置各个部件的三维模型,导入多体动力学软件中,创建各个部件之间的约束关系,以实验测试所得的动臂、斗杆和铲斗液压油缸数据作为驱动,模拟仿真工作装置的作业过程中的运动状态。分析了铲斗齿尖的运动轨迹、铲斗质心处的运动变化规律,以及铲斗两铰接点处的相对转动变化规律。(2)依照国内外文献资料整理出六种不同土石比的土石混合料以及相关参数,基于离散单元法并运用EDEM软件建立了六种含有不同形状、不同大小石块的挖掘作业工况。根据得到的铲斗运动参数设置其运动轨迹,模拟铲斗在挖掘过程中与物料的相互作用状态,获得在六种工况下铲斗在一个完整挖掘作业过程内所受到的挖掘载荷,并进行了对比分析。(3)将工作装置中的动臂和斗杆柔性化处理,并分别替换对应的刚性体,将得到的挖掘载荷添加到铲斗质心处。仿真工作装置在作业过程中的瞬态响应,并进行了动态特性分析,得到工作装置上关键铰接点的受力情况和各结构上的应力状态,确定出六种工况下工作装置在挖掘过程中的最大应力时刻和最大应力位置,指出工作装置上的危险部位,为工作装置的结构设计和优化提供更加准确的依据。

关键词：液压挖掘机工作装置离散单元法挖掘阻力动态特性

液压挖掘机工作装置动力学仿真与疲劳寿命评估研究

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液压挖掘机工作装置动力学仿真与疲劳寿命评估研究

作者：丁新长安大学

学位级别：硕士

液压挖掘机广泛应用于各种工程施工建设,工作装置作为挖掘机的重要组成部分,其动力学性能和强度特性是挖掘机性能品质的重要指标之一。本文以试验样机实地测试过程中获得的试验数据为基础,采用理论模型、虚拟样机仿真结合试验手段的方... 详细信息

液压挖掘机广泛应用于各种工程施工建设,工作装置作为挖掘机的重要组成部分,其动力学性能和强度特性是挖掘机性能品质的重要指标之一。本文以试验样机实地测试过程中获得的试验数据为基础,采用理论模型、虚拟样机仿真结合试验手段的方法对挖掘机工作装置的动力学特性和疲劳寿命进行研究。主要研究内容如下:首先,建立了挖掘机工作装置的运动学和动力学数学模型,基于实测数据采用MATLAB编程计算还原实际挖掘过程中铲斗所受到的挖掘阻力,并对四类作业介质下的挖掘阻力结果进行了基本的统计分析。其次,基于计算挖掘阻力和实测油缸驱动数据,在ADAMS中建立工作装置的刚体和刚柔耦合虚拟样机模型并进行动力学仿真,通过对铲斗油缸力的仿真结果和试验测试结果进行对比,验证了计算挖掘阻力和虚拟样机仿真的正确性;对比了刚体模型和刚柔耦合模型仿真结果的差异,并获得了柔性体动臂和斗杆在典型复合挖掘工况下的动态应力变化规律和危险点的实时应力变化情况。然后,基于台架疲劳试验方案,将动力学仿真获得的动臂、斗杆铰点载荷时间历程合成时序载荷谱,借助于n Code Design Life对时序载荷谱和台架加速试验程序谱下的动臂和斗杆进行疲劳寿命评估,两种载荷谱下的疲劳评估均能准确反映出疲劳破坏位置。最后,重点研究动臂、斗杆焊接结构中的危险焊缝位置,基于台架试验方案和试验加载谱,采用等效结构应力法对动臂、斗杆上的危险焊缝进行了疲劳寿命计算。将文中三部分疲劳预测结果进行对比,结果证明等效结构应力法能够比较准确地预测出动臂和斗杆的焊接疲劳寿命,其计算结果与试验结果最为接近。

关键词：工作装置挖掘阻力动力学刚柔耦合疲劳寿命

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振动挖掘机理及试验研究

振动挖掘机理及试验研究

作者：张宁福建农林大学

学位级别：硕士

在当今社会日益发展的背景下,液压挖掘机等工程机械装备在实际运用的领域越来越加广泛,所面临的挑战也越来越多。现有液压挖掘机在应对复杂作业环境时,存在挖掘阻力较大、效率较低、油耗大等不足,且对自身斗齿等元件的损耗也很大。因此... 详细信息

在当今社会日益发展的背景下,液压挖掘机等工程机械装备在实际运用的领域越来越加广泛,所面临的挑战也越来越多。现有液压挖掘机在应对复杂作业环境时,存在挖掘阻力较大、效率较低、油耗大等不足,且对自身斗齿等元件的损耗也很大。因此,随着当前全球资源的不断紧张,迫切需要寻找一种更为合适的挖掘方式,旨在降低挖掘阻力和能耗,使得液压挖掘机更加适应社会发展。将振动技术运用在液压挖掘机上,旨在能够通过让铲斗在挖掘过程中产生振动效果,使得土壤在振动作用下结构发生变化,可降低铲斗挖掘阻力、提高铲斗破土能力、降低能耗等,对促进液压挖掘机的发展产生深远影响。因此,本文就液压挖掘机的振动挖掘的运用展开深入研究。全文先从土壤性质出发,分析振动作用下土壤抗剪强度变化,得到振动挖掘减阻机理。再根据振动挖掘功能需要对整体振动挖掘试验平台进行研制。最后,展开振动挖掘试验研究,验证减阻理论以及试验平台的可行性,得到振动参数变化对挖掘阻力的影响。具体从以下几个方面展开研究:(1)对土壤的基本性质进行分析,得到土壤的应力变化关系和抗剪强度理论以及土壤破坏时的临界状态。(2)分析土壤的动本构关系和动力性质,得到振动参数变化下对土壤动强度的影响,进而反应出对挖掘阻力的影响。再根据土壤的抗剪强度理论,分析减阻机理,得到在振动挖掘作用下土壤抗剪强度会下降,进而使得挖掘阻力下降。(3)对振动挖掘的实现方式进行分析,确定以独立安装振动油缸的方式实现铲斗的振动,并研制出相应的振动激励装置和液压系统,使得铲斗能够实现不同参数的振动挖掘效果。(4)对振动挖掘试验平台控制系统的硬件和软件进行研制,实现振动挖掘平台的振动动作输出、参数变化控制、数据检测、处理和保存、人机操作界面控制等多项智能控制功能。(5)对砂土和黄土进行振动挖掘试验,验证振动挖掘减阻的有效性,分析振动参数(频率、振幅、挖掘速度)变化下挖掘阻力的变化规律。运用响应面分析法,得到振动参数以及参数间交互作用对挖掘阻力的影响,优化得到两种土壤的最佳振动参数。通过对土壤的抗剪强度理论分析研究可以得到振动可以降低土壤的抗剪强度,即在理论上可以通过振动挖掘的方式来减少挖掘阻力。同时在进行振动挖掘试验后,可以得到研制的振动挖掘试验平台能够实现振动挖掘要求,并可以达到降低挖掘阻力的效果,以及能够反应振动参数与挖掘阻力之间的变化关系。该研究将有助于推动振动挖掘技术在液压挖掘机上的运用和发展,使得液压挖掘机更加适应社会发展需求。

关键词：振动挖掘减阻理论振动参数挖掘阻力

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垂直于切削方向的振动挖掘及其减阻研究

垂直于切削方向的振动挖掘及其减阻研究

作者：李金龙西华大学

学位级别：硕士

马铃薯收获机面临的主要问题是挖掘阻力过大,挖掘阻力过大不仅会导致工作中动力不足,还会加快挖掘装置的磨损,增加收获成本。振动式挖掘铲相对于固定式挖掘铲能在一定程度上减小挖掘阻力。振动式挖掘铲的挖掘阻力受牵引速度、入土角度... 详细信息

马铃薯收获机面临的主要问题是挖掘阻力过大,挖掘阻力过大不仅会导致工作中动力不足,还会加快挖掘装置的磨损,增加收获成本。振动式挖掘铲相对于固定式挖掘铲能在一定程度上减小挖掘阻力。振动式挖掘铲的挖掘阻力受牵引速度、入土角度、振动频率、振幅的影响,分析不同牵引速度、入土角度、振动频率、振幅对挖掘阻力的影响规律具有重要的意义。本文从减小挖掘阻力的角度出发,设计了垂直于切削方向的振动挖掘装置,并对振动挖掘装置切削土壤的过程进行数值模拟,得到挖掘铲的挖掘阻力。对不同参数下的挖掘阻力进行分析,研究牵引速度、入土角度、振动频率、振幅对挖掘阻力的影响规律,并找出使挖掘铲挖掘阻力最小的参数组合。将最优振动参数组合下的挖掘阻力与固定式挖掘的挖掘阻力进行对比,研究振动减阻的效果。论文主要内容包括:(1)研究影响挖掘阻力的土壤参数,并对土壤含水率进行测定;研究土壤的破碎方式及土壤屈服准则,确定了土壤挖掘数值模拟中采用的土壤本构模型;分析并研究了振动式挖掘铲的特点及振动减阻的原理,为本课题垂直于切削方向的振动挖掘装置设计提供理论基础。(2)依据马铃薯的种植模式及挖掘铲设计要求对垂直于切削方向的振动挖掘装置进行设计。建立铲尖振幅计算模型并计算其振幅,建立铲尖运动轨迹方程,并对其进行运动仿真,然后将运动仿真结果和振幅计算结果及铲尖轨迹方程进行对比,发现计算结果和仿真结果一致,说明所建立的铲尖振幅计算模型和运动轨迹方程正确;此外,通过对挖掘铲进行模态分析,发现挖掘铲的驱动频率与其第一阶固有频率相距较远,不至于发生共振,说明振动挖掘装置结构合理。(3)建立了土壤切削数值模拟分析流程,利用MAT147土壤本构模型和振动式挖掘铲模型,设置了模型边界条件和载荷,用LS-DYNA软件对振动式挖掘铲切削土壤的过程进行数值模拟,得出挖掘铲的挖掘阻力,分析了挖掘阻力呈周期性变化的原因在于挖掘铲的运动呈周期性变化。(4)对不同参数下的挖掘阻力进行分析,通过单因素试验,分析了牵引速度、入土角度、振动频率、振幅对挖掘阻力的影响规律,通过多因素正交试验与极差分析,结果表明对挖掘阻力影响的主次顺序是:振动频率>振幅>牵引速度>入土角度,并获得了挖掘阻力最小时的最优参数组合;在最优参数组合条件下,对固定式挖掘进行数值模拟,通过进行对比,发现振动式挖掘较固定式挖掘的挖掘阻力减小了37.1%。

关键词：马铃薯收获振动式挖掘铲挖掘阻力振动减阻