挖装机工作装置瞬态动力学仿真与分析

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挖装机-般也称做扒渣机，主要用于解决小断面隧道掘进时的渣石装车问题，其广泛应用于铁路、公路等隧道挖掘以及水利 程、矿业T程等单线隧道的施T，具有工作效率高、施工成本低，环境污染小等优点。挖装机工作装置采用反铲形式，与液压挖掘机lr作装置类似，主要部件包括铲斗、连杆机构、斗杆、动臂、回转座。其中，动臂和斗杆分别由动臂液压缸和斗杆液压缸驱动，完成丁作装置在掌子面的大范围定位；铲斗由铲斗液压缸驱动四连杆机构实现铲斗的运动，增加铲斗在小范围内 作的灵活性；同转座和机架之间通过回转液压缸连接，通过回转液压缸的伸缩实现工作装置的横向摆动，扩大挖装机的扒渣范围。以 360型挖装机为例，对挖装机T作装置进行动力学分析。

2工作装置理论挖掘力计算2.1铲斗液压缸理论挖掘力铲斗液压缸的理论挖掘力在不考虑 作装置自重和土重 、液 系统和连杆机构效率、铲斗油缸的回油背压等因素时，其受力计算，如图 1所示。

也 厶、、图 1铲斗油缸理论挖掘力Fig.1 Theoretical Digging Force of Bucket Cylinder在不计连杆机构重量的情况下，可将连杆 HK作为二力杆，其两端受力沿着两铰接孔的中心连线方向，根据受力平衡条件，由铲斗液压缸大腔主动发挥的理论挖掘力为：口 -酗qo-- h·cos(I 2 3 JrQn·sin(

当考虑到铲斗白重时，铲斗理论挖掘力计算式为： rQ cos(Olq2%03)roh。sin(ql 2 3) (2)铲斗油缸理论挖掘力与油缸行程关系，如图2所示。由于铲斗本身重量较小，在考虑铲斗 自重和不考虑铲斗自重两种情况下，铲斗本身对挖掘力影响并不大。从铲斗油缸由最短伸到最长的过程中，铲斗挖掘力按照开口向下的二次函数规律变化，在铲斗油缸行程的约 1/3处(此时铲斗油缸长度为 1405mm)挖掘力达到最大值(7.39x10 N)，在铲斗油缸的后半段行程中，挖掘力衰减很快，此时铲斗挖掘已没有实际意义，主要为收斗动作。

铲斗油缸 K厦 (mm)图2铲斗油缸理论挖掘力与油缸行程关系Fig.2 Relationship of Bucket Cylinder TheoreticalDigging Force and Cylinder Stroke22斗杆液压缸理论挖掘力斗杆油缸的理论挖掘力与斗杆油缸的伸缩长度和铲斗相对于斗杆的转角有关。对于斗杆挖掘来说， ，决定了挖掘阻力臂和斗前切削刃的大小，当铲斗转角达到切削后角小于或等于 O。时，斗底先于斗齿接触土壤，斗杆挖掘无法进行。斗杆油缸挖掘时的临界姿态，如罔 3所示。铲斗切削后脚等于 0。，此时铲斗油缸长度为1740mm图3 3 杆油缸理论挖掘力Fig.3 Dipper Stick Cylinder Theoretical Digging Force斗杆油缸的理论挖掘力 ：F -F2r2G2rFc2gG3r-Fc-3x (3)W2 -- 、 J /W 2，式中： -斗杆油缸推力， ；D -铲斗油缸缸径；G厂.斗杆重量；G铲 斗重量。

编写Matlab程序，通过计算可知当斗杆油缸L21685mm，铲斗油缸 L 1740mm长时，此时铲斗的切削后角为 0。，工作装置进行斗杆挖掘时斗杆挖掘阻力臂达为最小值，斗杆油缸的理论挖掘力达到最大为 66700N。斗杆油缸挖掘力与斗杆油缸和铲斗油缸长度关系图，如图4所示。

图4斗杆油缸挖掘力与斗杆油缸和铲斗油缸长度关系图Fig.4 Relationship of Dipper Stick Cylinder Digging Force ofDipper Stick Cylinder and Bucket Cylinder Length3工作装置瞬态动力学分析瞬态动力分析也称为时间-历程分析，用于确定结构承受随时间变化的载荷时的动力响应。挖装机工作装置在隧道内作业时需要经常破碎和剥离较大或者较硬的石渣，这样工作装置会经常受到冲击载荷的作用，所以有必要对其进行瞬态响应分析 ，研究冲击载荷对工作装置的损伤状况 。

3.1载荷步的确定假设在撞击过程中，斗齿尖与地面接触，动臂油缸和铲斗油缸长度保持不变 ，斗杆油缸缸长度迅速增大，工作装置进行斗杆挖掘，撞击过程中斗齿尖承受的最大载荷为 66.7kN。载荷步，如图5所示。在-次撞击过程中，(O～O.5)S为撞击开始阶段，斗齿尖作用力迅速从 0增大到66.7kN，(O.5～0.8)S为撞击阶段，此时斗杆油缸缸保持最大推力，(0.81.0)s为撞击结束阶段，随着斗杆油缸的伸长，挖掘力逐渐减校1.0 S以后为扒渣阶段，此时斗齿尖作用有 35kN的扒渣阻力。

667004000020o000/ 图5工作装置载荷步Fig.5 Load Step of Working Device3.2阻尼瞬态动力学的通用方程中包括阻尼，故需要考虑阻尼的影响。在此处，忽略粘性阻尼，仅考虑有滞后造成的单元阻尼，由于阻尼具有累积效应，根据