机械式矿用挖掘机提升机构性能仿真研究

矿用挖掘机是大型露天矿山不可或缺的关键采装设备,随着经济的快速发展,国内外对矿用挖掘机的市场需求都在大幅增长,对铲斗容量的要求也逐渐增大。为开发出更大斗容的矿用挖掘机,传统的经验设计法已不能完全适应设计需要,因此,应用现代设计方法对大型矿用挖掘机进行仿真研究变得十分必要。 本文对太原重工WK-55矿用挖掘机提升机构进行了深入细致地研究,利用动力学仿真分析软件MSC ADAMS,将工作装置中提升钢丝绳和变幅钢丝绳离散为多段刚性圆柱体,在刚性圆柱体之间施加柔性连接来模拟钢丝绳,结合UGNX软件建立了工作装置的虚拟样机模型,对提升机构进行动力学仿真与分析,并利用有限元软件对卷筒和卷筒轴进行静力学分析。本文的研究主要包括以下五部分： 1.提升机构的运动学分析 为使铲斗的装斗效率最高、挖掘阻力最小,分析了斗齿尖的理想运动轨迹,得到了铲斗的理想挖掘轨迹曲线。分别对提升机构和推压机构进行运动学分析和计算,得到了相应的运动学参数,保证了铲斗能够按照理想挖掘轨迹挖掘。同时,根据物理样机的性能参数确定了回转机构的运动学参数。 2.建立提升机构仿真模型 利用UGNX软件,建立了工作装置主要零部件的几何模型,并通过UGNX与ADAMS都支持的数据交换格式将几何模型导入至ADAMS/View环境下。将工作装置中的钢丝绳模拟为由轴套力柔性连接的多段刚性圆柱体,在ADAMS中应用宏命令创建了这些圆柱体和柔性连接,建立了钢丝绳的仿真模型。对回转平台做了适当简化,确定了回转平台模型的质量和质心位置。对模型添加了运动副约束,并将提升机构、推压机构和回转机构的运动参数写成STEP函数形式,定义了相应机构的驱动。 3.确定仿真模型的外部载荷 分析了工作装置承受外部载荷情况,分别计算了提升力、提升力矩、推压力、回转力矩、挖掘阻力以及物料重力等外部载荷,将载荷分别按照在物理样机中的作用特性施加在相应的构件上,建立了提升机构的虚拟样机模型。 4.提升机构的动力学仿真与分析 按照各种典型工况对提升机构虚拟样机模型分别进行动力学仿真,得到了仿真模型的实际挖掘轨迹,通过与理想挖掘轨迹对比,验证了仿真模型的准确性。由仿真结果可知,卷筒的安装误差和上车回转角加速度的大小对卷筒轴向力有较大影响；当卷筒与端面挡紧装置有间隙时,卷筒轴向力极值也有较大幅度地增加。另外,由仿真结果还可以看出,无论卷筒安装位置是否准确,铲斗的安装误差和铲斗内物料的偏心作用都不会对卷筒轴向受力产生较大影响。仿真结果得到了各种工况下卷筒轴向力极值,结果表明,当卷筒偏向矿用挖掘机右侧,且卷筒不能被完全挡紧时,卷筒的轴向力会出现比正常值大4倍的极值,并且卷筒与挡紧装置之间会发生多次接触碰撞。 5.提升机构有限元分析 利用有限元法对提升机构提升卷筒和卷筒轴进行静力分析,对卷筒轴与卷筒装配结构进行接触分析,得到了相应模型的等效应力分布图和综合位移分布图。验证了卷筒及卷筒轴的最大等效应力均小于材料的屈服极限,最大综合位移均小于许用挠度,零件满足强度和刚度要求。 本文在对矿用挖掘机工作装置进行运动学分析的基础之上,结合UG NX和MSC ADAMS软件建立了提升机构动力学仿真模型,分析计算了工作装置的外部载荷,分别进行了正常工况、物料偏心、卷筒安装误差、增大回转速度、铲斗遇到挖掘障碍等工况下的动力学仿真,准确地反映了提升机构的实际特性,得到了提升机构的动力学参数,最后利用有限元软件对卷筒和卷筒轴进行了静力学分析。本文对于预测提升机构的性能、缩短产品开发周期、降低产品开发费用有积极的作用。同时,本文对提升机构的优化设计和改型设计也有一定的参考意义。