關(guān)于機(jī)械式挖掘機(jī)設(shè)計(jì)與發(fā)展的探討

王 凱

（張家口宣化華泰礦冶機(jī)械有限公司，河北張家口 075100）

0 引言

一般來說，在露天礦作業(yè)過程中，需要使用到機(jī)械式挖掘機(jī)設(shè)備，其中運(yùn)用到諸多技術(shù)。露天礦山開采規(guī)模的日益增大，加快了相關(guān)采礦技術(shù)與設(shè)備的研發(fā)速度。憑借著耐沖擊、耐疲勞等眾多優(yōu)勢，使其受到了很大的關(guān)注與重視，并且被運(yùn)用到礦山的開采與建設(shè)工作當(dāng)中。通過科學(xué)利用先進(jìn)的機(jī)械式挖掘機(jī)設(shè)備，一方面提升了相應(yīng)的勞動(dòng)生產(chǎn)工作效率，另一方面也嚴(yán)格控制生產(chǎn)工作的成本。這種機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，同時(shí)也方便后續(xù)維修與保養(yǎng)工作的順利進(jìn)行，延長其使用年限，凸顯出一定的功效和作用。

為了發(fā)揮出其良好的作用，需要科學(xué)設(shè)計(jì)機(jī)械式挖掘機(jī)，同時(shí)分析與其關(guān)聯(lián)的相關(guān)問題，達(dá)到增強(qiáng)運(yùn)用效果的目的。

1 機(jī)械式挖掘機(jī)發(fā)展的狀況

對(duì)于挖掘機(jī)設(shè)備，從出現(xiàn)至今經(jīng)歷了漫長的發(fā)展階段。在此過程當(dāng)中，機(jī)械式挖掘機(jī)的行走系統(tǒng)由最初的鐵道軌輪改進(jìn)到當(dāng)前的履帶式，由此構(gòu)成了四輪一帶。在電出現(xiàn)以后，促使發(fā)電機(jī)組得以出現(xiàn)，由從前的單發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)朝著多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展，以多交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，從單機(jī)傳動(dòng)朝著多機(jī)傳動(dòng)的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了高效化的管控效果，體現(xiàn)出不斷健全的特征[1]。從結(jié)構(gòu)角度來看，目前以焊接結(jié)構(gòu)為主，表明焊接工藝發(fā)展的速度非?？?，得到了廣泛推廣和宣傳。在科學(xué)運(yùn)用之后，一方面，達(dá)到了控制成本的效果，減少了進(jìn)行制造需要的周期；另一方面，在科學(xué)利用相關(guān)材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)方面計(jì)算知識(shí)的同時(shí)，采用有限元計(jì)算方法，確保了計(jì)算的精準(zhǔn)性。此外，從設(shè)計(jì)角度來看，現(xiàn)階段依然主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，主要應(yīng)用類比與相似設(shè)計(jì)等方式。基于繪圖的視角下，不再運(yùn)用圖板，而借助計(jì)算機(jī)繪圖的方法，減少了具體的設(shè)計(jì)周期[2]。

2 機(jī)械式挖掘機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)展的方向說明

2.1 設(shè)計(jì)原理探究

2.1.1 緊密結(jié)合采礦需要進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)不同的尺寸，如最大的挖掘半徑、高度、卸載半徑等數(shù)值，在明確之后應(yīng)該密切聯(lián)系相關(guān)采礦技術(shù)，確保設(shè)計(jì)方案達(dá)到采礦的需要，進(jìn)而明確具體的工作尺寸[3]。

2.1.2 相關(guān)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)原理的分析

（1）鏟斗和挖掘?qū)ο笠灾苯咏佑|，斗形是否準(zhǔn)確關(guān)系到相應(yīng)的挖掘阻力。在參考外國一些成功的經(jīng)驗(yàn)之后，能明確斗形設(shè)計(jì)，并科學(xué)分析其強(qiáng)度與剛度情況，然后不斷改進(jìn)和優(yōu)化處理。當(dāng)前，我國在斗形方面的研究非常少，需要積極進(jìn)行探究。

（2）在鏟斗、斗桿方面，由于動(dòng)臂的受力狀態(tài)為相應(yīng)的壓彎實(shí)腹型構(gòu)件，依據(jù)有關(guān)力學(xué)知識(shí)，基于靜動(dòng)強(qiáng)度、剛度視角下，可以運(yùn)用精確解方法有效明確動(dòng)臂相關(guān)結(jié)構(gòu)。一般情況下斗桿受力狀態(tài)通常是壓、彎等構(gòu)件。

（3）不斷改進(jìn)和完善相關(guān)工作設(shè)備。此設(shè)備包括了鏟斗、斗桿與動(dòng)臂。從動(dòng)力方面而言，主要依靠相關(guān)提升系統(tǒng)與推壓系統(tǒng)一起進(jìn)行挖掘處理，獲得良好的挖掘效果。在此過程中，需要基于挖掘視角，科學(xué)設(shè)計(jì)，并且根據(jù)具體的挖掘過程，科學(xué)改進(jìn)和優(yōu)化挖掘的軌跡，將動(dòng)臂的幾何尺寸作為主要的改進(jìn)對(duì)象，有利于明確挖掘后角與相關(guān)幾何參數(shù)。不過在目標(biāo)參數(shù)的明確與改進(jìn)方面，則需要進(jìn)一步優(yōu)化。由于此過程主要處理多目標(biāo)函數(shù)方面的問題，缺少統(tǒng)一化的量綱，可以運(yùn)用更加先進(jìn)的方式優(yōu)化。

（4）在結(jié)構(gòu)件計(jì)算工況的選用方面，以不同的結(jié)構(gòu)件作為主要對(duì)象明確具體的計(jì)算工況。當(dāng)前，部分工況在選用上需要進(jìn)一步分析，另外一些工況本身并不存在，無法當(dāng)成計(jì)算工況的有效參考。例如，當(dāng)鏟斗處于最高的位置進(jìn)行挑大塊，初期挖掘時(shí)與大塊巖石相接觸，容易發(fā)生斗尖被卡的現(xiàn)象，需要根據(jù)有關(guān)生產(chǎn)技術(shù)來確保計(jì)算工況的科學(xué)性，有效規(guī)避相關(guān)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)太過強(qiáng)壯和功能過剩的問題。

2.2 相關(guān)挖掘理論分析

結(jié)合相關(guān)挖掘理論知識(shí)，以挖掘阻力的明確為主，并作為提升與推壓電機(jī)功率的參考。實(shí)際上，以直接測試的形式進(jìn)行阻力的挖掘存在著很大的難度，僅可以對(duì)推壓力與提升力進(jìn)行檢測，同時(shí)對(duì)斗尖的部位進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，然后依靠科學(xué)計(jì)算，間接獲取挖掘阻力，不過存在著一定的誤差。參考太重測試的狀況，整個(gè)測試的過程十分復(fù)雜，同時(shí)需要巨大的物資與資源。

可以借助測試推壓的方式，達(dá)到提高電機(jī)功率與推壓速度的目的，同時(shí)準(zhǔn)確記錄具體的齒尖部位，針對(duì)相同的樣機(jī)挖掘不一樣的礦石來說，應(yīng)該盡可能對(duì)眾多樣本進(jìn)行測試，同時(shí)及時(shí)加以統(tǒng)計(jì)與整合。對(duì)于不一樣的樣機(jī)挖掘相同的礦石來說，需要提高推壓的功率，科學(xué)分析所獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到功率和斗容量、工作尺寸相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過數(shù)次驗(yàn)證之后，能夠獲取合理值，將其運(yùn)用到設(shè)計(jì)過程當(dāng)中。實(shí)現(xiàn)對(duì)測試工作的精簡處理，避免干擾到正常的生產(chǎn)工作，便于進(jìn)行落實(shí)。

2.3 大型化的發(fā)展勢態(tài)

隨著很多技術(shù)的運(yùn)用，未來所使用到的機(jī)械設(shè)備日趨大型化，一方面能夠增加經(jīng)濟(jì)收益，另一方面也滿足了相關(guān)工藝的需求。挖掘機(jī)也呈現(xiàn)出從小到大的特征，目前最大的斗容是56 m3。在未來，機(jī)械式挖掘機(jī)的大型化將成為必然。

3 機(jī)械式挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)方式

3.1 依據(jù)科學(xué)發(fā)展觀的設(shè)計(jì)方式

（1）合理運(yùn)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。通過重視創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的科學(xué)利用，充分參考相關(guān)創(chuàng)新理論知識(shí)、技術(shù)，逐漸形成科學(xué)的創(chuàng)新思維方式，發(fā)揮出邏輯思維、形象思維各自的功效，進(jìn)一步增強(qiáng)設(shè)計(jì)工作者的創(chuàng)新能力。

（2）科學(xué)應(yīng)用綠色設(shè)計(jì)方法。例如，對(duì)于有些機(jī)械設(shè)備，噪聲消除、拆裝設(shè)計(jì)等工作采用綠色設(shè)計(jì)方法，可以獲得良好的效果。

3.2 以確保產(chǎn)品質(zhì)量作為目的的綜合設(shè)計(jì)方式

根據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量當(dāng)作宗旨，科學(xué)運(yùn)用綜合設(shè)計(jì)方式，以最大限度滿足廣大用戶在產(chǎn)品性能方面的需要，緊密參考不同用戶的需求情況，科學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)。挖掘機(jī)性能參數(shù)主要有結(jié)構(gòu)、工作以及工藝等，以滿足相關(guān)要求。

3.2.1 功能、動(dòng)態(tài)等相關(guān)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，處理強(qiáng)度方面的難題，制定出科學(xué)的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定的同時(shí)，構(gòu)建針對(duì)挖掘機(jī)的計(jì)算機(jī)輔助軟件，完成了數(shù)字化設(shè)計(jì)工作的任務(wù)，最終明確了相關(guān)功能參數(shù)[4]。

3.2.2 有關(guān)大型設(shè)備穩(wěn)定性的分析

由于挖掘機(jī)的運(yùn)行情況與靜力強(qiáng)度無關(guān)，主要是疲勞強(qiáng)度密切相關(guān)，所以應(yīng)該深入探究與分析疲勞強(qiáng)度。在計(jì)算大型焊接結(jié)構(gòu)件疲勞的過程中，由于經(jīng)驗(yàn)欠缺，需要進(jìn)行測試，構(gòu)成相應(yīng)的應(yīng)力載荷譜，有助于落實(shí)相關(guān)工作。

3.2.3 挖掘機(jī)的平衡性、穩(wěn)定性分析

對(duì)于挖掘機(jī)設(shè)備平衡性、穩(wěn)定性方面的分析，針對(duì)的為科學(xué)布設(shè)平臺(tái)當(dāng)中全部的設(shè)備、支撐鉸，確保平衡重的科學(xué)性。同時(shí)緊密結(jié)合具體的狀況，經(jīng)過分析以后獲得適合的計(jì)算方式，再加以有效運(yùn)用。

3.2.4 相關(guān)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析

受挖掘機(jī)設(shè)備逐漸數(shù)字化、大型化發(fā)展趨勢的影響，挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特征得到很大關(guān)注。但是設(shè)備的振動(dòng)會(huì)給相應(yīng)的操控效果、結(jié)構(gòu)疲勞等帶來不良影響，所以應(yīng)該重視該項(xiàng)工作，著重分析與探究起升機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在制動(dòng)時(shí)候的相關(guān)動(dòng)態(tài)激勵(lì)情況，帶給有關(guān)結(jié)構(gòu)件的實(shí)際影響。

3.3 基于系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)理論的設(shè)計(jì)方式

挖掘機(jī)的工作具備隨機(jī)的特征，所以之前運(yùn)用的明確量、最大挖掘力設(shè)計(jì)的方式存在一定缺陷。為此，設(shè)計(jì)工作的開展需要達(dá)到設(shè)計(jì)最大限度的相關(guān)規(guī)定。通過緊密結(jié)合現(xiàn)場所測試的數(shù)據(jù)信息，將其當(dāng)成設(shè)計(jì)的依據(jù)，將確保挖掘機(jī)質(zhì)量當(dāng)成宗旨?，F(xiàn)在此項(xiàng)工作并沒有取得較大進(jìn)展，較為困難的環(huán)節(jié)為有關(guān)數(shù)據(jù)信息采集（包含很多數(shù)據(jù)），整個(gè)過程不僅非?？菰?、費(fèi)時(shí)，而且耗費(fèi)了更多的資源，所以可以根據(jù)相關(guān)黑匣子理論方法，準(zhǔn)確記錄整個(gè)挖掘機(jī)運(yùn)行的情況，然后及時(shí)統(tǒng)計(jì)和整理相關(guān)數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)設(shè)計(jì)工作的能力。

4 結(jié)束語

綜上所述，露天礦開采和建設(shè)工作，需要科學(xué)運(yùn)用機(jī)械式挖掘機(jī)設(shè)備。挖掘機(jī)是常見的機(jī)械設(shè)備，在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的推動(dòng)下，機(jī)械式挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)水平得以提升?；跐M足實(shí)際工作需求的目的，有關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)我國相關(guān)部門所頒布的規(guī)定，結(jié)合實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)以及其在使用中存在的問題，編制出科學(xué)、可行的方案，設(shè)計(jì)出來更具有市場競爭力的產(chǎn)品。