大型矿用挖掘机设计关键技术研究

大型矿用挖掘机属于重大技术装备产品，其性能和可靠性直接影响着大型露天矿的开采和运行，代表了一个国家重矿行业的整体技术水平，对大型矿用挖掘机的设计理论、技术和方法进行深入研究，对于提升我国能源安全、资源安全，提高我国矿山机械产品的国际竞争力等具有重要意义。本文结合国家863“大型露天矿采矿技术与装备”项目的“75m3大型露天矿用挖掘机研制”（2012AA062001）课题，对大型矿用挖掘机的设计方法、工作装置及行走装置的虚拟样机、基于离散单元法的铲斗设计以及矿用挖掘机的数字化设计平台开发等方面进行了深入研究。 在广泛查阅相关文献的基础上，综述了大型矿用挖掘机工作原理及国内外的发展现状，对挖掘工作机理、矿用挖掘机的工作装置、行走装置和铲斗的设计等关键技术进行了论述。 分析了大型矿用挖掘机设计的特点，按照综合设计法的思想将矿用挖掘机产品的设计工作划分为规划阶段、实施阶段和检验阶段这三个阶段，并包含设计思想、设计环境、设计过程、设计目标、设计内容、设计方法及产品设计质量检验与评估这七个方面的内容，对各部分内容分别进行详细分析，为大型矿用挖掘机的设计提供一种理论指导方法。 对大型矿用挖掘机工作装置的挖掘轨迹进行了理论分析，基于多体动力学理论建立了工作装置的虚拟样机，并基于虚拟样机进行了仿真分析；应用刚柔耦合理论对工作装置中的关键部件进行动态分析仿真，分别建立了以斗杆为柔体和以起重臂为柔体的工作装置虚拟样机，获得动态应力仿真数据，为工作装置的动态设计提供了条件。 建立了履带行走装置的虚拟样机，对履带板与支重轮等关键部件的承载进行了分析研究。针对典型工况进行了动力学仿真分析研究，分析了履带板与地面的作用力变化规律、履带板与驱动轮之间啮合力的变化规律以及支重轮与导向轮的承载的变化规律。采用刚柔耦合仿真技术建立了履带行走装置虚拟样机，履带架被作为柔体进行处理，研究了行驶过程中履带架动态应力的变化规律。 基于离散单元法理论进行了铲斗的挖掘过程仿真，分析了针对不同挖掘物料情况下的铲斗动力学响应和物料流动等内容，提取的铲斗受力和物料填充等信息可以为铲斗的优化提供理论依据，最后对铲斗进行了试验优化设计。 进行了大型矿用挖掘机数字化设计平台的开发。在通用CAD/CAE/CAM技术平台基础上，建立了工程数据库，结合三维参数化模板技术、有限元模板技术等，开发了满足工程实际需求的矿用挖掘机数字化设计平台，提高了大型矿用挖掘机的设计效率。 本文围绕大型矿用挖掘机的综合设计方法、工作装置及行走装置的虚拟样机仿真、基于离散单元法的铲斗设计和数字化设计平台的开发等内容进行了深入研究，为大型矿用挖掘机的设计研究提供了多种先进的分析方法与工具，为我国自主研制开发大型矿用挖掘机产品提供了科学依据。