仿生學(xué)設(shè)計(jì)方法在挖掘機(jī)斗齒設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：為解決挖掘機(jī)鏟斗齒輪的受力和變形問(wèn)題，提高挖掘機(jī)的施工效率和使用性能，以生物螻蛄爪齒為參照對(duì)象，對(duì)R108-9型挖掘機(jī)鏟斗齒進(jìn)行仿生力學(xué)特性計(jì)算分析，研究其力學(xué)特性和變形規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著液壓缸施加動(dòng)臂和斗桿壓力的增加，斗齒的最大等效壓力呈現(xiàn)“S”形的非線性增加；相比于原設(shè)計(jì)，采用仿生設(shè)計(jì)可以有效降低挖掘機(jī)鏟斗斗齒的應(yīng)力，特別是在施加壓力大于8MPa條件下，其應(yīng)力分布得到有效改善，大大提高了設(shè)備的掘進(jìn)性能；隨著液壓缸施加動(dòng)臂和斗桿壓力增加，仿生設(shè)計(jì)前斗齒的最大等效應(yīng)變呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)，而仿生設(shè)計(jì)后斗齒的最大等效應(yīng)變呈非線性增加并趨于收斂的趨勢(shì)；采用仿生設(shè)計(jì)可以有效提高挖掘機(jī)鏟斗斗齒的剛度，提高設(shè)備的抗變形能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；挖掘機(jī)斗齒；仿生學(xué)設(shè)計(jì)；仿真分析

0 引言

仿生學(xué)作為一門新興的學(xué)科，其研究對(duì)象包含了整個(gè)生物界，結(jié)合了機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)和電子信息學(xué)等多門學(xué)科體系，有機(jī)地聯(lián)系了深刻的物理學(xué)原理與有機(jī)生命世界，其目標(biāo)是模仿或復(fù)制生物適應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界和承受環(huán)境改變的身體結(jié)構(gòu)和功能，運(yùn)用工程學(xué)的原理應(yīng)用于指導(dǎo)工程實(shí)際，達(dá)到改善現(xiàn)有技術(shù)工程設(shè)備，創(chuàng)造新的工藝方法和結(jié)構(gòu)裝置等目的。

近年來(lái)，工程機(jī)械設(shè)計(jì)借助仿生學(xué)原理取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在機(jī)械功能結(jié)構(gòu)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械材料和機(jī)械控制方面都形成了系統(tǒng)的研究，取得了許多創(chuàng)新成果，衍生出了諸多基于結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的產(chǎn)品。如結(jié)合仿生學(xué)原理和激光增材制造方法，將航空航天領(lǐng)域機(jī)械零部件優(yōu)化，以提高機(jī)翼的剛度和強(qiáng)度。仿照鳥(niǎo)類骨骼輕質(zhì)和高強(qiáng)度的特性，在機(jī)械設(shè)備中設(shè)計(jì)了輕質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)臂和起重臂。

基于仿生學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和巨大潛力，機(jī)械設(shè)計(jì)中的仿生學(xué)原理和生物力學(xué)原理研究日益受到關(guān)注。基于此，本文結(jié)合工程機(jī)械的設(shè)計(jì)，以生物螻蛄爪齒為參照對(duì)象，對(duì)R108-9型挖掘機(jī)鏟斗齒進(jìn)行仿生力學(xué)特性計(jì)算分析，研究其力學(xué)特性和變形規(guī)律，研究成果可應(yīng)用于既有挖掘機(jī)力臂斗桿的性能優(yōu)化和設(shè)備改造。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生學(xué)理論分析

仿生學(xué)理論涉及多個(gè)學(xué)科的交叉融合，包含了生物學(xué)、物理學(xué)、機(jī)械工程學(xué)和材料科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)理論，具有深厚的科學(xué)性和實(shí)用性，應(yīng)用于機(jī)械工程領(lǐng)域中時(shí)，涉及的仿生學(xué)理論主要有生物學(xué)理論、相似性理論、系統(tǒng)和最優(yōu)化理論。

1.1 生物學(xué)理論

在生物學(xué)理論中，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在生物學(xué)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，借助生物組織結(jié)構(gòu)自適應(yīng)性原則、生物最低能耗假設(shè)、生物的進(jìn)化理論提取生物物理力學(xué)特征，以適應(yīng)更為復(fù)雜的機(jī)械工作環(huán)境。相比于機(jī)械結(jié)構(gòu)的金屬材料，生物結(jié)構(gòu)自身材料的強(qiáng)度無(wú)論是從宏觀尺度或者微觀尺度來(lái)說(shuō)，都相對(duì)較低，卻能長(zhǎng)期承受較大的荷載，擁有較強(qiáng)的韌性和自我修復(fù)功能。同時(shí)，生物結(jié)構(gòu)的材料、運(yùn)動(dòng)形式、身體結(jié)構(gòu)、能量交換方式符合最能能耗原則，在歷史演化中表現(xiàn)出趨異性和趨同性，以高度適應(yīng)環(huán)境。

1.2 相似性理論

在相似性理論中，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以充分考慮機(jī)械系統(tǒng)、構(gòu)件與生物個(gè)體之間的個(gè)性與共性、特殊與一般的相互關(guān)系，以相同的物理本質(zhì)，在遵循相似定理的前提下，深入研究和理解生物個(gè)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)特性，挖掘其背后的無(wú)禮本質(zhì)和規(guī)律，對(duì)生物結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征進(jìn)行模仿，提高結(jié)構(gòu)的高效性、適應(yīng)性、魯棒性，達(dá)到優(yōu)化和創(chuàng)新機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

1.3 系統(tǒng)和最優(yōu)化理論

在系統(tǒng)和最優(yōu)化理論中，生物體被認(rèn)為是一個(gè)長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境的復(fù)雜系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)通過(guò)不斷地演化與優(yōu)化，逐步發(fā)展出與周圍環(huán)境相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)和功能，其結(jié)構(gòu)、生理和行為特征都反應(yīng)了生物體在特定環(huán)境下的最優(yōu)解，以便能夠高效地從環(huán)境中獲得資源。通過(guò)最優(yōu)化理論，將生物體的優(yōu)化和適應(yīng)能力引入機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以設(shè)計(jì)出更加智能、靈活和可靠的機(jī)械系統(tǒng)，不僅可以提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)用性，還可以推動(dòng)機(jī)械工程領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中，為了改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備的力學(xué)性能或者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有材料設(shè)計(jì)中存在不足，可借助豐富的生物力學(xué)原理，以生物自然結(jié)構(gòu)為參照對(duì)象，分析生物體不同尺度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其通過(guò)系統(tǒng)性和整體性的設(shè)計(jì)，平衡機(jī)械的使用性能、材料屬性和結(jié)構(gòu)尺寸之間的沖突關(guān)系，提升機(jī)械的施工效率、穩(wěn)定性和可靠性。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)生物力學(xué)特性分析

在工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。機(jī)械設(shè)備在惡劣的工作環(huán)境下，受到各種荷載的作用，若外力過(guò)大時(shí)則可能發(fā)生失效和斷裂。承受的和力矩也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度失效，發(fā)生變形。而機(jī)械運(yùn)行時(shí)受到的各種不穩(wěn)定因素干擾，則容易使其失去平衡，發(fā)生傾倒或滑動(dòng)等事故。

目前，可以借助試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬的方法，研究生物體的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和材料屬性，提取其設(shè)計(jì)原理。以生物體的骨骼、肌肉和軟組織為例，骨骼具有輕質(zhì)且高強(qiáng)度的特點(diǎn)，肌肉則展現(xiàn)出良好的彈性和韌性，而軟組織則則為結(jié)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)提供了良好的緩沖和潤(rùn)滑作用。因此，在機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)中，可以模擬分析生物結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、變形規(guī)律，以取得良好的抗疲勞、抗磨損和抗沖擊能力。

3 仿生學(xué)設(shè)計(jì)方法在挖掘機(jī)斗齒中應(yīng)用

3.1 挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

挖掘機(jī)作為工程中應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況復(fù)雜的特點(diǎn)，在露天采礦、隧道挖掘和山體土石方開(kāi)挖中發(fā)揮了重要的作用。挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性主要體現(xiàn)在各個(gè)部件都經(jīng)過(guò)精密計(jì)算和設(shè)計(jì)，如工作裝置、行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)以及動(dòng)力系統(tǒng)等。挖掘機(jī)工作裝置是主要的承載件，也是進(jìn)行直接挖掘作業(yè)的主體部分，是快速高效完成土石方開(kāi)挖、裝載、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)的主體，其系統(tǒng)組成包括動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和各液壓缸。

3.2 基于東方螻蛄爪趾設(shè)計(jì)斗齒仿生模型

鏟斗的挖掘齒直接接觸巖土體，是破碎巖體、鏟運(yùn)巖土的直接工具，為此本文借助仿生學(xué)設(shè)計(jì)方法，以生物螻蛄爪齒為參照對(duì)象，對(duì)R108-9型挖掘機(jī)為原型建立分析模型，對(duì)斗桿的力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，以提高挖掘機(jī)的施工效能。

東方螻蛄是具有卓越挖掘能力的昆蟲(chóng)，通過(guò)掃描電鏡圖對(duì)東方螻蛄前足部爪趾的觀察可發(fā)現(xiàn)，螻蛄在長(zhǎng)期的生物進(jìn)化中，能夠良好適應(yīng)土壤中生活的重要條件就是具有高效挖掘洞穴的足趾。其前足特別粗大，爪趾是最關(guān)鍵的觸土部位。這種生物挖掘能力強(qiáng)悍，通過(guò)各部位的耦合協(xié)同作用，可在8h內(nèi)挖掘2000～3000mm的距離。

其爪趾形狀似鏟，正面和側(cè)面均呈現(xiàn)30°的楔角，有效減小了挖掘土壤過(guò)程中的摩擦力，避免了爪趾的應(yīng)力集中，并提高了爪趾的切削性能和機(jī)械強(qiáng)度。本文基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)方法，獲得東方螻蛄爪趾內(nèi)側(cè)和外側(cè)的輪廓曲線，并進(jìn)行曲線擬合，代替斗齒的上下輪廓線，設(shè)計(jì)了挖掘機(jī)斗齒仿生模型如圖1所示。

3.3 挖掘機(jī)工作裝置有限元計(jì)算模型分析

有限元仿真分析采用ANSYS WorkBENCH軟件，建立的挖掘機(jī)工作裝置有限元計(jì)算模型如圖2所示。鏟斗的材質(zhì)為Q235高錳耐磨鋼（16Mn），其屈服強(qiáng)度為200MPa，彈性模量為200MPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.28。動(dòng)臂和斗桿的材料為Q345鋼，其屈服強(qiáng)度為345MPa，彈性模量為206MPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.30。挖斗刃板和斗齒的材料為ZG25CrMnMo鋼，其屈服強(qiáng)度為1100MPa，彈性模量為203MPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.30。

考慮到計(jì)算精度和計(jì)算效率，采用實(shí)體網(wǎng)格單元對(duì)挖斗、動(dòng)臂和斗桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到動(dòng)臂的單元數(shù)為264384個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為312021個(gè)，單元尺寸為5～15mm。斗桿的單元數(shù)為20392lImO8q2HUlfgJLZDWiKe87MquXJGbAQNPES5srvYVP8=8個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為276428個(gè)，單元尺寸為5～15mm；挖斗的單元數(shù)為250578個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為390563個(gè)，單元尺寸為5～20mm。

4 挖掘機(jī)斗齒力學(xué)特性仿真結(jié)果分析

4.1 挖掘機(jī)斗齒最大等效壓力分析

圖3為挖掘機(jī)鏟斗斗齒在動(dòng)臂和斗桿驅(qū)動(dòng)下最大等效壓力計(jì)算結(jié)果。從圖3中可以看出，隨著液壓缸施加動(dòng)臂和斗桿壓力的增加，斗齒的最大等效壓力呈現(xiàn)“S”形的非線性增加。

在相同的施加壓力條件下，采用仿生設(shè)計(jì)前斗齒最大等效壓力大于仿生設(shè)計(jì)后斗齒最大等效壓力，且這種差距在壓力小于8MPa時(shí)較小，而在施加壓力大于等于8MPa時(shí)，差距越來(lái)越大。

由此表明，采用仿生設(shè)計(jì)可以有效降低挖掘機(jī)鏟斗斗齒的應(yīng)力，特別是在施加壓力大于8MPa條件下，其應(yīng)力分布得到有效改善，大大提高了設(shè)備的掘進(jìn)性能。

4.2 挖掘機(jī)斗齒最大等效應(yīng)變分析

圖4為挖掘機(jī)鏟斗斗齒在動(dòng)臂和斗桿驅(qū)動(dòng)下最大應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。從圖4中可以看出，隨著液壓缸施加動(dòng)臂和斗桿壓力的增加，仿生設(shè)計(jì)前斗齒的最大等效應(yīng)變呈現(xiàn)線性增加的變化趨勢(shì)，而仿生設(shè)計(jì)后斗齒的最大等效應(yīng)變呈現(xiàn)非線性增加并趨于收斂的變化趨勢(shì)。

在相同的施加壓力條件下，采用仿生設(shè)計(jì)前斗齒最大等效應(yīng)變大于仿生設(shè)計(jì)后斗齒最大等效應(yīng)變，且這種差距在壓力小于8MPa時(shí)較小，而在施加壓力大于等于8MPa時(shí)，差距越來(lái)越大。

由此表明，采用仿生設(shè)計(jì)可以有效提高挖掘機(jī)鏟斗斗齒的剛度，特別是在施加壓力大于8MPa條件下，其結(jié)構(gòu)剛度較為穩(wěn)定，有效地提高了設(shè)備的抗變形能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合工程機(jī)械的設(shè)計(jì)，以生物螻蛄爪齒為參照對(duì)象，對(duì)R108-9型挖掘機(jī)鏟斗齒進(jìn)行仿生力學(xué)特性計(jì)算分析，研究其力學(xué)特性和變形規(guī)律，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

隨著液壓缸施加動(dòng)臂和斗桿壓力的增加，斗齒的最大等效壓力呈現(xiàn)“S”形的非線性增加；相比于原設(shè)計(jì)，采用仿生設(shè)計(jì)可以有效降低挖掘機(jī)鏟斗斗齒的應(yīng)力，特別是在施加壓力大于8MPa條件下，其應(yīng)力分布得到有效改善，大大提高了設(shè)備的掘進(jìn)性能。

隨著液壓缸施加動(dòng)臂和斗桿壓力的增加，仿生設(shè)計(jì)前斗齒的最大等效應(yīng)變呈現(xiàn)線性增加的變化趨勢(shì)，而仿生設(shè)計(jì)后斗齒的最大等效應(yīng)變呈現(xiàn)非線性增加并趨于收斂的變化趨勢(shì)。在相同的施加壓力條件下，采用仿生設(shè)計(jì)前斗齒最大等效應(yīng)變大于仿生設(shè)計(jì)后斗齒最大等效應(yīng)變。采用仿生設(shè)計(jì)可以有效提高挖掘機(jī)鏟斗斗齒的剛度，提高設(shè)備的抗變形能力。

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