基于多学科融合的机械式矿用挖掘机工作装置结构可靠性优化设计研究

基于多学科融合的机械式矿用挖掘机工作装置结构可靠性优化设计研究一、引言1.1研究背景与意义1.1.1研究背景在现代矿业开采领域，矿用挖掘机作为关键的采装设备，承担着挖掘、装载等核心任务，其性能优劣直接关系到矿山开采的效率与成本。随着全球经济的发展，对矿产资源的需求持续攀升，露天矿山的开采规模不断扩大，对矿用挖掘机的规格、性能和可靠性提出了更高要求。大型矿用挖掘机凭借其强大的挖掘能力、高效的作业效率，在露天矿山单斗-汽车开采工艺系统和半连续开采工艺系统中占据着不可或缺的地位。机械式矿用挖掘机作为矿用挖掘机的重要类型之一，具有结构相对简单、传动效率高、可靠性较高等优点，在一定程度上满足了矿山复杂工况下的作业需求。然而，其工作装置在实际运行过程中面临着诸多挑战。工作装置作为直接执行挖掘任务的部分，不仅要承受挖掘时巨大的冲击力、矿石的重力以及各种复杂的外力作用，还要适应恶劣的矿山环境，如高温、高湿、粉尘等。这些因素使得工作装置的结构容易出现疲劳损伤、变形甚至断裂等问题，严重影响了挖掘机的正常运行和使用寿命。以某大型露天煤矿为例，在长期高强度的开采作业中，其使用的机械式矿用挖掘机工作装置频繁出现故障。据统计，在过去一年中，因工作装置结构故障导致的停机时间累计达到[X]小时，造成了巨大的经济损失。其中，斗杆的疲劳裂纹、铲斗的磨损以及各连接部位的松动等问题尤为突出。这些故障不仅降低了生产效率，还增加了维修成本和安全风险。因此，提高机械式矿用挖掘机工作装置结构的可靠性，成为保障矿业高效、安全开采的关键环节。1.1.2研究意义从提高挖掘机性能角度来看，对工作装置结构进行可靠性优化设计，能够显著提升挖掘机的工作效率和作业质量。通过优化结构参数，可以使工作装置在挖掘过程中受力更加均匀，减少能量损耗，从而提高挖掘力和挖掘速度。同时，优化后的结构能够更好地适应不同的工况条件，增强挖掘机的适应性和稳定性，确保其在复杂的矿山环境中稳定运行，为矿山开采提供可靠的设备支持。在降低成本方面，可靠的工作装置结构能够减少故障发生的频率，降低维修次数和维修成本。一方面，减少了因设备故障导致的停机时间，避免了生产中断带来的经济损失；另一方面，延长了工作装置的使用寿命，减少了设备更换和零部件采购的费用。例如，通过优化设计，某型号机械式矿用挖掘机工作装置的维修成本降低了[X]%，使用寿命延长了[X]%，为企业带来了显著的经济效益。保障安全生产是矿业开采的首要任务，而工作装置结构的可靠性直接关系到操作人员的生命安全和矿山的安全生产。优化设计可以提高工作装置的强度和稳定性，降低因结构失效引发的安全事故风险。在矿山作业中，一旦工作装置出现故障，可能会导致铲斗脱落、臂架倒塌等严重事故，危及人员生命安全。通过可靠性优化设计，能够有效预防这些事故的发生，为矿山安全生产提供有力保障。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外对机械式矿用挖掘机工作装置的研究起步较早，在结构设计、可靠性分析及优化方法等方面取得了众多先进成果。美国P&H公司作为世界著名的大型矿用机械正铲式挖掘机生产企业，其产品技术水平代表了当代国际先进水平。该公司采用齿轮齿条刚性推压方式，电气系统采用可控硅供电和直流电动机驱动，产品在国际市场占有率居首位。在工作装置结构设计上，P&H公司运用先进的计算机辅助设计（CAD）技术，对铲斗、斗杆、动臂等关键部件进行精细化设计，使其在满足强度和刚度要求的前提下，尽可能减轻重量，提高材料利用率。通过对铲斗形状和尺寸的优化，使铲斗的装满系数得到提高，从而提升挖掘效率。在某型号挖掘机的设计中，通过优化铲斗的斗型曲线，使其装满系数提高了[X]%，挖掘效率提升了[X]%。在可靠性分析方面，国外学者运用故障树分析（FTA）、失效模式与影响分析（FMEA）等方法，对工作装置的故障模式和失效原因进行深入研究。例如，德国学者通过FTA方法对挖掘机工作装置的故障进行分析，找出了导致工作装置故障的关键因素，并提出了相应的改进措施，有效降低了工作装置的故障率。此外，国外还广泛采用有限元分析（FEA）技术对工作装置的结构强度和疲劳寿命进行预测。利用FEA软件对工作装置在不同工况下的应力、应变分布进行模拟分析，提前发现潜在的结构薄弱环节，为结构改进提供依据。如日本某企业通过FEA分析，对挖掘机斗杆的结构进行优化，使其疲劳寿命提高了[X]%。在优化方法上，多目标优化算法在国外得到了广泛应用。通过建立包含结构重量、强度、刚度、可靠性等多个目标的优化模型，运用遗传算法、粒子群优化算法等智能算法求解，实现工作装置结构的综合优化。例如，美国某研究团队运用遗传算法对挖掘机工作装置的结构参数进行优化，在保证结构可靠性的前提下，使结构重量减轻了[X]%，同时提高了挖掘力和作业效率。1.2.2国内研究现状国内对机械式矿用挖掘机工作装置的研究近年来取得了显著进展，但与国外先进水平相比仍存在一定差距。在结构设计方面，国内企业和科研机构逐步引入先进的设计理念和方法，如参数化设计、模块化设计等。太原重工股份有限公司在大型矿用挖掘机的研发中，采用参数化设计方法，建立了工作装置的参数化模型，通过调整模型参数，快速实现不同规格挖掘机工作装置的设计，提高了设计效率和质量。在模块化设计方面，国内企业将工作装置分解为多个功能模块，如铲斗模块、斗杆模块、动臂模块等，实现了模块的标准化和通用化，降低了生产成本，提高了产品的可维护性。在可靠性分析方面，国内学者也开展了大量研究工作。通过对现场故障数据的收集和分析，运用可靠性统计方法，对工作装置的可靠性指标进行评估。同时，结合有限元分析和试验研究，对工作装置的薄弱环节进行改进。例如，东北大学的研究团队通过对某型号挖掘机工作装置的现场故障数据进行分析，建立了可靠性模型，预测了工作装置的可靠性寿命，并针对可靠性较低的部件进行了结构改进，使工作装置的可靠性得到显著提高。在优化方法上，国内主要采用传统的优化方法，如数学规划法等，对工作装置的结构参数进行优化。近年来，随着计算机技术和智能算法的发展，一些先进的优化算法，如神经网络算法、模拟退火算法等，也开始在国内得到应用。例如，中南大学的学者运用神经网络算法和遗传算法相结合的方法，对挖掘机工作装置的结构进行优化，取得了较好的优化效果。然而，国内在一些关键技术和核心部件的研发上仍依赖进口，如高端液压元件、控制系统等。同时，在可靠性设计和分析的理论与方法上，与国外相比还不够完善，缺乏系统性和深入性。在未来的研究中，国内应加强基础研究和关键技术攻关，提高自主创新能力，缩小与国外的差距，推动我国机械式矿用挖掘机行业的发展。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究聚焦于机械式矿用挖掘机工作装置结构可靠性优化设计，旨在全面提升工作装置的性能与可靠性，具体研究内容如下：工作装置结构组成与力学特性分析：深入剖析机械式矿用挖掘机工作装置的结构组成，包括铲斗、斗杆、动臂、推压机构、提升机构等关键部件的结构形式、连接方式及工作原理。运用工程力学、材料力学等理论知识，对工作装置在不同工况下的受力情况进行详细分析，建立力学模型，求解各部件的应力、应变分布，明确其力学特性。例如，通过对铲斗挖掘矿石时的受力分析，确定铲斗斗齿、斗唇及斗体的主要受力部位和应力集中区域；对斗杆在提升和推压过程中的受力分析，明确斗杆的弯曲应力和剪切应力分布情况，为后续的可靠性分析和优化设计提供理论基础。可靠性影响因素分析：从多个角度深入研究影响工作装置结构可靠性的因素。在载荷方面，考虑挖掘力、提升力、矿石重力、惯性力等动态和静态载荷的随机性和不确定性，分析其对结构可靠性的影响。例如，挖掘力的大小和方向会随着挖掘工况的变化而波动，可能导致工作装置部件承受的应力超出设计范围，从而降低结构可靠性。在材料性能方面，研究材料的强度、韧性、疲劳性能等参数的离散性对结构可靠性的影响。不同批次的材料可能存在性能差异，这些差异会在长期的使用过程中逐渐显现，影响工作装置的可靠性。此外，制造工艺的精度、装配质量以及工作环境中的温度、湿度、腐蚀等因素也不容忽视。制造工艺中的焊接缺陷、装配不当等问题都可能成为结构失效的隐患；恶劣的工作环境会加速材料的腐蚀和磨损，降低结构的强度和刚度，进而影响可靠性。可靠性分析方法研究：引入先进的可靠性分析方法，如故障树分析（FTA）、失效模式与影响分析（FMEA）、蒙特卡罗模拟法等，对工作装置结构进行可靠性评估。利用FTA方法，以工作装置的某种故障为顶事件，通过逻辑推理找出导致该故障的各种底事件及其逻辑关系，构建故障树，分析各底事件对顶事件的影响程度，确定关键故障模式和薄弱环节。例如，将铲斗脱落作为顶事件，分析可能导致铲斗脱落的原因，如连接销轴断裂、斗耳开裂等底事件，通过故障树分析找出最关键的因素，为制定改进措施提供依据。运用FMEA方法，对工作装置的每个零部件的失效模式进行分析，评估其对系统功能的影响程度和严重度，确定风险优先数，从而有针对性地采取预防和改进措施。蒙特卡罗模拟法则通过随机抽样的方式模拟各种不确定性因素，多次计算结构的响应，统计分析结果，得到结构的可靠性指标，如可靠度、失效概率等，使可靠性评估更加准确和全面。优化设计方法研究：建立以结构重量最轻、可靠性最高、成本最低等为目标的多目标优化模型。在结构重量方面，通过优化结构形状和尺寸，在满足强度、刚度和可靠性要求的前提下，减轻工作装置的重量，降低材料成本和能耗。在可靠性方面，将可靠性指标纳入优化目标，提高工作装置在各种工况下的可靠运行能力。在成本方面，综合考虑材料成本、制造成本、维修成本等因素，使总成本最低。确定设计变量，如各部件的尺寸参数、材料参数等；约束条件包括强度约束、刚度约束、稳定性约束等，以确保优化后的结构满足工程实际要求。运用遗传算法、粒子群优化算法等智能优化算法求解多目标优化模型，得到一组Pareto最优解，供设计人员根据实际需求进行选择。例如，在遗传算法中，通过编码、选择、交叉和变异等操作，不断迭代优化，寻找满足多目标要求的最优解。优化设计方案的验证与评估：根据优化设计结果，制造工作装置的样机或采用数值模拟方法对优化后的结构进行验证。通过实验测试，如静载试验、疲劳试验、模拟工况试验等，获取工作装置的实际性能数据，与优化前的结构进行对比分析，评估优化设计的效果。在静载试验中，对工作装置施加设计载荷，测量其应力、应变和变形情况，验证结构的强度和刚度是否满足要求；在疲劳试验中，模拟工作装置在实际工作中的循环载荷，测试其疲劳寿命，评估优化后的结构在疲劳性能方面的提升。同时，结合实际工程应用案例，对优化后的工作装置进行长期跟踪和监测，收集现场运行数据，进一步验证优化设计方案的可行性和有效性，为实际生产提供可靠的技术支持。1.3.2研究方法为确保研究的全面性和深入性，本研究综合运用多种研究方法，相互补充、相互验证，具体如下：理论分析：运用机械设计、工程力学、材料力学、可靠性理论等相关学科的基本原理和方法，对机械式矿用挖掘机工作装置的结构组成、力学特性、可靠性影响因素等进行深入的理论推导和分析。建立力学模型，求解各部件的应力、应变分布，明确结构的力学行为；运用可靠性理论，分析各种因素对结构可靠性的影响机制，为后续的研究提供理论基础。例如，在分析工作装置的受力情况时，根据力学平衡原理和材料力学公式，计算各部件在不同工况下的内力和应力，为结构设计和优化提供依据。数值模拟：借助先进的计算机辅助工程（CAE）软件，如ANSYS、ABAQUS、ADAMS等，对工作装置进行数值模拟分析。利用有限元分析（FEA）软件对工作装置的结构进行强度、刚度和稳定性分析，模拟其在不同工况下的应力、应变分布情况，预测结构的薄弱环节。例如，在ANSYS软件中，建立工作装置的有限元模型，划分网格，施加边界条件和载荷，进行求解计算，得到结构的应力云图和变形图，直观地展示结构的力学响应。通过多体动力学软件ADAMS对工作装置的运动学和动力学进行模拟分析，获取各部件的运动参数和受力情况，为结构设计和优化提供数据支持。在ADAMS中，建立工作装置的多体动力学模型，定义各部件之间的连接关系和驱动方式，进行运动仿真，得到铲斗、斗杆等部件的位移、速度、加速度等运动参数以及各铰点的受力情况，为优化设计提供参考。实验研究：开展实验研究，对理论分析和数值模拟的结果进行验证和补充。通过对工作装置的关键部件进行材料性能测试、力学性能测试、疲劳试验等，获取实际的材料参数和结构性能数据。例如，对工作装置常用的钢材进行拉伸试验、冲击试验，测定其屈服强度、抗拉强度、冲击韧性等材料性能参数；对斗杆进行疲劳试验，模拟其在实际工作中的循环载荷，测试其疲劳寿命，验证理论分析和数值模拟的准确性。同时，搭建工作装置的实验平台，进行模拟工况试验，观察和测量工作装置在实际工作条件下的运行情况和性能指标，为优化设计提供实践依据。在实验平台上，模拟挖掘、装载等工况，测量工作装置的挖掘力、提升力、作业范围等性能指标，分析结构的可靠性和稳定性，为改进设计提供方向。案例分析：收集和分析实际工程中的机械式矿用挖掘机工作装置的设计案例和故障案例，总结经验教训，为研究提供实际参考。通过对成功案例的分析，学习先进的设计理念和方法，了解如何在实际工程中提高工作装置的可靠性和性能；对故障案例进行深入剖析，找出导致故障的原因，如结构设计不合理、材料选择不当、制造工艺缺陷等，提出相应的改进措施，避免类似问题在后续设计中出现。例如，对某矿山发生的挖掘机斗杆断裂事故进行案例分析，通过对断裂部位的宏观和微观分析、材料性能检测、受力分析等，找出事故原因是斗杆在设计时存在应力集中，材料的疲劳性能不足，在长期的交变载荷作用下发生断裂。根据分析结果，提出改进斗杆结构设计、优化材料选择等措施，提高斗杆的可靠性。二、机械式矿用挖掘机工作装置结构组成与工作原理2.1工作装置结构组成机械式矿用挖掘机工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗以及其他关键部件如连杆、销轴、油缸等组成，各部件协同工作，完成挖掘、装载等作业任务。2.1.1动臂结构动臂是工作装置的重要支撑部件，其下端通过铰轴与回转平台相连，上端则与斗杆和动臂油缸铰接。动臂的结构形式通常为箱型结构，这种结构具有较高的强度和刚度，能够承受较大的外力。箱型结构由上、下盖板和两侧的腹板焊接而成，内部还设置有加强筋板，以进一步提高其承载能力。在一些大型矿用挖掘机中，为了减轻动臂的重量，同时保证其强度和刚度要求，会采用高强度合金钢材料制造动臂，如Q690等。这些材料具有屈服强度高、韧性好等优点，能够在保证动臂性能的前提下，有效减轻结构重量，降低能耗。动臂在工作装置中起着至关重要的作用，它不仅支撑着斗杆和铲斗的重量，还承受着挖掘作业时产生的各种外力，如挖掘力、提升力、矿石重力等。在挖掘过程中，动臂通过动臂油缸的伸缩来实现升降运动，从而调整铲斗的作业高度和角度，以适应不同的挖掘工况。例如，在挖掘较深的矿坑时，需要将动臂伸长，使铲斗能够到达矿坑底部进行挖掘；在装载矿石时，需要将动臂提升，使铲斗能够将矿石倒入运输车辆中。2.1.2斗杆结构斗杆位于动臂和铲斗之间，通过销轴分别与动臂和铲斗铰接。斗杆的结构特点是细长，通常采用箱型或管型结构。箱型结构的斗杆具有较好的抗弯和抗扭性能，能够承受较大的弯曲和扭转力；管型结构的斗杆则具有重量轻、制造工艺简单等优点。斗杆与其他部件的连接方式主要是销轴连接，这种连接方式具有结构简单、拆卸方便、传递力可靠等优点。在斗杆与动臂和铲斗的连接处，通常会设置关节轴承或滑动轴承，以减少销轴与连接孔之间的摩擦和磨损，提高连接的灵活性和可靠性。在工作过程中，斗杆通过斗杆油缸的伸缩来实现前后摆动运动，从而控制铲斗的挖掘深度和挖掘范围。当斗杆油缸伸长时，斗杆向前摆动，铲斗向前伸出，实现挖掘作业；当斗杆油缸收缩时，斗杆向后摆动，铲斗向后收回，完成卸载作业。斗杆的运动形式与挖掘作业的效率和质量密切相关。例如，在挖掘坚硬的矿石时，需要缓慢地推动斗杆，使铲斗能够逐渐切入矿石中，避免因挖掘力过大而损坏铲斗和斗杆；在挖掘松散的物料时，可以快速地推动斗杆，提高挖掘效率。2.1.3铲斗结构铲斗是直接与物料接触并完成挖掘和装载作业的部件，其形状设计和尺寸参数对挖掘作业的效果有着重要影响。铲斗的形状通常为U型或V型，U型铲斗具有较大的容量和较好的物料装载性能，适用于挖掘和装载松散的物料；V型铲斗则具有较强的切入能力和较好的物料破碎性能，适用于挖掘坚硬的矿石。铲斗的尺寸参数包括斗容量、斗宽、斗深、斗齿间距等。斗容量是衡量铲斗装载能力的重要指标，根据挖掘机的型号和作业需求，斗容量一般在几立方米到几十立方米之间。斗宽和斗深则影响着铲斗的挖掘范围和挖掘深度，斗齿间距的大小会影响铲斗的挖掘力和物料的抓取效果。铲斗的形状和尺寸参数对挖掘作业的影响主要体现在挖掘效率、挖掘力和物料的装载效果等方面。例如，合理的斗型设计可以使铲斗在挖掘过程中更容易切入物料，减少挖掘阻力，提高挖掘效率；适当增加斗容量可以减少装载次数，提高装载效率；合适的斗齿间距可以使铲斗更好地抓取物料，避免物料的散落。此外，铲斗的耐磨性也是影响挖掘作业的重要因素之一。在实际作业中，铲斗需要频繁地与矿石等物料接触，容易受到磨损。因此，铲斗通常采用耐磨性能较好的材料制造，如高锰钢等，同时在斗齿、斗唇等易磨损部位还会进行特殊的处理，如堆焊耐磨合金等，以提高铲斗的使用寿命。2.1.4其他关键部件连杆：连杆在工作装置中主要起到传递力和改变力的方向的作用。它通常连接在动臂、斗杆和铲斗之间，通过销轴与其他部件铰接。连杆的结构形式多样，常见的有直杆和曲杆两种。直杆连杆结构简单，制造方便，适用于一些受力较小的场合；曲杆连杆则可以根据工作装置的运动要求，合理地布置力的传递路径，提高工作装置的性能。例如，在某些挖掘机的工作装置中，采用了曲杆连杆结构，通过巧妙地设计连杆的形状和尺寸，使铲斗在挖掘过程中能够保持较为稳定的姿态，提高挖掘的精度和效率。销轴：销轴是连接工作装置各部件的关键零件，它承受着部件之间的作用力和相对运动产生的摩擦力。销轴通常采用高强度合金钢制造，经过淬火、回火等热处理工艺，以提高其强度和硬度。为了减少销轴与连接孔之间的摩擦和磨损，在销轴表面会进行镀铬、渗碳等处理，或者安装衬套。衬套一般采用铜合金或工程塑料等材料制造，具有良好的减摩性能和耐磨性能。销轴的质量和可靠性直接影响着工作装置的正常运行，一旦销轴出现断裂或磨损严重等问题，可能会导致工作装置的故障，甚至引发安全事故。油缸：油缸是工作装置实现运动的动力源，主要包括动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸。动臂油缸控制动臂的升降运动，斗杆油缸控制斗杆的前后摆动运动，铲斗油缸控制铲斗的翻转运动。油缸的结构主要由缸筒、活塞杆、活塞、密封件等组成。缸筒和活塞杆通常采用优质无缝钢管制造，具有较高的强度和精度。活塞上安装有密封件，以保证油缸的密封性，防止液压油泄漏。油缸的工作原理是基于帕斯卡原理，通过液压油的压力推动活塞运动，从而带动活塞杆伸出或缩回，实现工作装置的相应运动。在选择油缸时，需要根据工作装置的负载、运动速度和工作压力等参数，合理地确定油缸的型号和规格，以确保其能够满足工作装置的工作要求。2.2工作装置工作原理2.2.1挖掘作业原理在挖掘作业开始时，铲斗处于初始位置，通常位于挖掘机的前方且斗口朝下。随着挖掘动作的启动，动臂油缸伸长或收缩，调整动臂的角度和高度，使铲斗到达合适的挖掘位置。斗杆油缸也相应地工作，推动斗杆向前或向后摆动，控制铲斗的伸出长度和挖掘深度。当铲斗接触到矿石时，挖掘力开始发挥作用。挖掘力主要由斗杆油缸和铲斗油缸提供，通过活塞杆的伸缩，使铲斗产生切削和挖掘动作。铲斗的斗齿首先切入矿石，利用斗齿的尖锐形状和强大的冲击力，将矿石从矿体上剥离下来。在切入过程中，铲斗会受到矿石的反作用力，这些力通过斗齿传递到铲斗斗体上，再由斗体传递到斗杆和动臂。斗杆在挖掘过程中承受着弯曲和扭转力。由于斗杆需要推动铲斗向前挖掘，同时还要承受铲斗挖掘时的反作用力，因此斗杆在水平方向上会产生弯曲变形，在垂直方向上会受到扭矩作用。为了保证斗杆的强度和稳定性，斗杆通常采用高强度的材料制造，并在结构设计上进行优化，如增加加强筋板、合理布置连接点等。铲斗在挖掘过程中的运动轨迹近似为一条复杂的曲线。随着动臂、斗杆和铲斗油缸的协同动作，铲斗的运动轨迹不仅包括直线运动，还包括弧线运动和复合运动。例如，在挖掘较深的矿坑时，动臂先下降，使铲斗接近矿坑底部，然后斗杆向前伸出，铲斗在斗杆的推动下进行挖掘，此时铲斗的运动轨迹是一条向下倾斜的弧线；在挖掘水平面上的矿石时，动臂保持相对稳定，斗杆和铲斗油缸协同工作，使铲斗进行水平方向的切削运动，其运动轨迹近似为一条直线。这种复杂的运动轨迹是为了适应不同的挖掘工况，确保铲斗能够高效地挖掘矿石。各部件在挖掘作业中的协同工作是通过挖掘机的控制系统实现的。操作人员通过操纵杆或遥控器，向控制系统发送指令，控制系统根据指令控制各个油缸的动作顺序和速度，从而实现动臂、斗杆和铲斗的精确协同。在挖掘过程中，操作人员需要根据矿石的硬度、形状和挖掘深度等因素，灵活调整各部件的运动参数，以达到最佳的挖掘效果。例如，在挖掘坚硬的矿石时，需要适当减小挖掘速度，增加挖掘力，以防止铲斗和斗杆受到过大的冲击；在挖掘松散的物料时，可以适当提高挖掘速度，提高作业效率。2.2.2回转作业原理机械式矿用挖掘机工作装置的回转作业是实现其全方位作业能力的关键环节。回转作业的驱动方式主要有机械式和液压式两种。在机械式驱动中，通常采用电机通过减速机和回转支承来实现工作装置的回转。电机输出的高速旋转运动，经过减速机的减速增扭后，传递给回转支承，带动工作装置绕回转中心进行旋转。液压式驱动则是利用液压马达通过液压系统来驱动回转支承。液压泵将液压油加压后，输送到液压马达，液压马达将液压能转换为机械能，驱动回转支承转动，从而实现工作装置的回转。回转机构主要由回转支承、回转减速机、回转驱动装置等组成。回转支承是连接工作装置和底盘的关键部件，它不仅承受着工作装置的重量和各种外力，还允许工作装置相对底盘进行360°的回转。回转支承通常采用滚动轴承或滑动轴承，具有较高的承载能力和回转精度。回转减速机的作用是降低回转驱动装置的转速，提高输出扭矩，以满足工作装置回转时的力矩要求。回转驱动装置则根据驱动方式的不同，选择电机或液压马达，为回转作业提供动力。回转作业对作业效率有着重要影响。快速、平稳的回转能够减少挖掘机的作业循环时间，提高工作效率。在装载作业中，快速回转可以使铲斗迅速从挖掘位置转移到运输车辆上方，减少等待时间；在挖掘不同位置的矿石时，平稳的回转能够保证铲斗的定位精度，提高挖掘的准确性和效率。然而，如果回转速度过快或回转过程中出现卡顿、晃动等问题，不仅会影响作业效率，还可能导致物料洒落、设备损坏等问题。因此，在设计和使用挖掘机时，需要合理选择回转驱动方式和回转机构的参数，确保回转作业的高效、稳定运行。在实际作业中，回转作业还需要与挖掘、卸载等作业环节密切配合。例如，在挖掘完一斗矿石后，工作装置需要迅速回转到运输车辆的装载位置，将矿石卸载到车辆中。在这个过程中，回转的速度和角度需要与铲斗的卸载动作以及运输车辆的位置相匹配，以确保卸载的顺利进行。同时，操作人员还需要根据作业现场的实际情况，合理控制回转的时机和速度，避免与周围的设备、人员发生碰撞。2.2.3卸载作业原理当铲斗完成挖掘作业并装满矿石后，便进入卸载作业阶段。卸载作业的动作顺序通常为先提升动臂，使铲斗升高到一定高度，以确保能够将矿石顺利倒入运输车辆中。在提升动臂的过程中，动臂油缸逐渐伸长，克服动臂、斗杆、铲斗以及矿石的重力，使工作装置整体向上移动。当铲斗达到合适的卸载高度后，斗杆油缸开始工作，收缩斗杆，使铲斗向前翻转，将斗口对准运输车辆的车厢。在斗杆油缸收缩的过程中，斗杆绕着与动臂的铰接点转动，带动铲斗改变姿态，实现卸载动作。铲斗的卸载角度是卸载作业中的一个重要参数，它直接影响着卸载的效果和效率。卸载角度一般根据运输车辆的车厢高度和宽度进行调整，以确保矿石能够准确地落入车厢内，同时避免矿石洒落。通常情况下，卸载角度在45°-60°之间较为合适。如果卸载角度过小，矿石可能无法完全倒入车厢，导致卸载不彻底；如果卸载角度过大，可能会使矿石飞溅，造成物料浪费和安全隐患。在卸载作业中，与运输设备的配合至关重要。操作人员需要根据运输车辆的位置和行驶状态，准确控制铲斗的卸载位置和时间。在运输车辆到达卸载位置后，操作人员应等待车辆停稳，并确认车厢的位置和状态合适后，再进行卸载作业。同时，在卸载过程中，操作人员要密切关注铲斗和车厢的相对位置，避免铲斗与车厢发生碰撞，损坏设备。为了提高卸载作业的效率和准确性，一些先进的挖掘机配备了自动卸载系统，该系统通过传感器和控制系统，能够自动识别运输车辆的位置和状态，并根据预设的程序自动控制铲斗的卸载动作，实现精确卸载。三、机械式矿用挖掘机工作装置结构可靠性影响因素分析3.1结构设计因素3.1.1几何形状与尺寸动臂、斗杆、铲斗等部件的几何形状和尺寸对机械式矿用挖掘机工作装置的结构强度、刚度和稳定性有着至关重要的影响，它们的设计合理性直接关系到挖掘机在复杂工况下的工作性能和可靠性。以动臂为例，其几何形状的设计需要综合考虑受力情况和作业要求。常见的动臂形状有直臂和弯臂两种。直臂结构相对简单，制造工艺难度较低，在一些对挖掘深度要求不高、作业环境较为简单的工况下具有一定的应用。然而，在大多数矿山开采作业中，弯臂动臂更为常见。弯臂的设计能够使动臂在挖掘过程中更好地适应不同的挖掘角度和深度，有效减少应力集中现象，提高结构的强度和刚度。通过优化弯臂的曲率半径和臂身的变截面设计，可以使动臂在承受挖掘力、提升力和自身重力等多种载荷时，应力分布更加均匀，从而降低局部应力过高导致的疲劳破坏风险。斗杆的几何形状和尺寸同样对其性能有着显著影响。斗杆通常为细长结构，其长度和截面尺寸的选择需要兼顾挖掘范围和结构强度。较长的斗杆可以扩大挖掘机的挖掘范围，但也会增加斗杆在工作时的弯矩和扭矩，对斗杆的强度和刚度提出更高要求。因此，在设计斗杆时，需要根据挖掘机的型号和作业需求，合理确定斗杆的长度。同时，斗杆的截面形状多采用箱型或管型。箱型截面具有较高的抗弯和抗扭能力，能够有效抵抗挖掘过程中产生的弯曲和扭转力；管型截面则具有重量轻、材料利用率高的优点，但在承受复杂载荷时的性能相对较弱。在实际应用中，需要根据具体工况和性能要求选择合适的截面形状。例如，在挖掘较硬的矿石时，对斗杆的强度和刚度要求较高，箱型截面可能更为合适；而在一些对挖掘范围要求较大、对斗杆重量较为敏感的工况下，管型截面可能更具优势。铲斗作为直接与物料接触的部件，其几何形状和尺寸对挖掘作业的效率和质量起着关键作用。铲斗的形状主要有U型和V型。U型铲斗具有较大的斗容和较好的物料装载性能，能够在一次挖掘中装载更多的物料，适用于挖掘和装载松散的物料，如煤炭、砂土等。V型铲斗则具有较强的切入能力，其尖锐的斗型设计能够更容易地切入坚硬的矿石，适用于挖掘硬度较高的物料。铲斗的尺寸参数包括斗容量、斗宽、斗深等。斗容量的大小直接决定了铲斗一次能够装载的物料量，根据挖掘机的规格和作业需求，斗容量通常在几立方米到几十立方米之间。斗宽和斗深的选择则需要考虑挖掘物料的性质、挖掘方式以及与运输设备的匹配性。例如，在挖掘大面积的松散物料时，较宽的铲斗可以提高挖掘效率；而在挖掘较深的矿坑时，需要较大的斗深来满足挖掘深度的要求。此外，动臂、斗杆、铲斗等部件的尺寸参数之间还存在着相互关联和制约的关系。例如，动臂的长度和斗杆的长度会影响铲斗的作业范围和挖掘力；铲斗的斗容量和斗宽会影响斗杆和动臂在挖掘过程中所承受的载荷大小。因此，在进行结构设计时，需要综合考虑这些因素，通过优化设计使各部件的尺寸参数达到最佳匹配，以提高工作装置的整体性能和可靠性。3.1.2连接方式与布局各部件之间的连接方式及布局的合理性对机械式矿用挖掘机工作装置的结构可靠性同样有着不可忽视的影响。连接方式主要包括焊接、螺栓连接等，不同的连接方式具有各自的特点和适用场景。焊接是一种常用的连接方式，它通过加热使被连接的金属部件局部熔化并融合在一起，形成一个整体。焊接连接具有连接强度高、密封性好、结构紧凑等优点，能够有效地传递力和力矩，在动臂、斗杆、铲斗等部件的制造中得到广泛应用。然而，焊接过程中会产生热应力和变形，可能导致焊接接头处出现裂纹、气孔等缺陷，影响结构的可靠性。为了减少焊接缺陷的产生，需要合理选择焊接工艺参数，如焊接电流、电压、焊接速度等，并采用适当的焊接顺序和焊接方法。例如，在焊接大型结构件时，可以采用分段焊接、对称焊接等方法，减少焊接变形和热应力。同时，还需要对焊接接头进行严格的质量检测，如采用超声波探伤、射线探伤等方法，确保焊接质量符合要求。螺栓连接是另一种常见的连接方式，它通过螺栓和螺母将两个或多个部件连接在一起。螺栓连接具有拆卸方便、安装简单、便于维修等优点，在工作装置中常用于连接一些需要经常拆卸和更换的部件，如斗齿、销轴等。然而，螺栓连接的可靠性受到螺栓预紧力、螺纹精度、连接面的平整度等因素的影响。如果螺栓预紧力不足，在工作过程中，由于振动和冲击的作用，螺栓可能会松动，导致连接失效；如果螺纹精度不够或连接面不平整，会影响螺栓的受力分布，降低连接的可靠性。因此，在采用螺栓连接时，需要合理确定螺栓的规格和预紧力，并保证螺纹的精度和连接面的平整度。同时，还可以采用防松措施，如使用弹簧垫圈、防松螺母等，防止螺栓松动。除了连接方式，各部件之间的布局也对结构可靠性有着重要影响。合理的布局能够使工作装置在工作过程中受力更加均匀，减少应力集中现象，提高结构的稳定性。例如，动臂、斗杆和铲斗的铰点位置的布局需要考虑挖掘力的传递路径和各部件的运动范围。铰点位置的不合理设置可能会导致挖掘力在传递过程中产生较大的弯矩和扭矩，使部件承受过大的应力，从而降低结构的可靠性。同时，各部件之间的相对位置和角度关系也需要根据作业要求进行优化。例如，铲斗与斗杆之间的夹角、动臂与斗杆之间的夹角等，这些角度的合理设置能够使铲斗在挖掘过程中更好地切入物料，提高挖掘效率，同时也能减少各部件之间的相互干涉，降低结构的磨损和损坏风险。此外，工作装置中还存在一些辅助部件，如连杆、销轴等，它们的连接方式和布局同样会影响结构的可靠性。连杆的作用是传递力和改变力的方向，其连接方式和布局需要保证力的传递顺畅，避免出现力的突变和集中。销轴作为连接各部件的关键零件，其质量和安装精度直接影响着连接的可靠性。销轴的材料选择、热处理工艺以及与连接孔的配合精度等都需要严格控制，以确保销轴能够承受工作过程中的各种载荷，防止出现断裂、磨损等问题。3.2材料性能因素3.2.1材料强度与韧性不同材料的强度、韧性等力学性能对机械式矿用挖掘机工作装置的抗疲劳、抗冲击能力有着显著影响。在矿山开采作业中，工作装置频繁承受着各种复杂的载荷，如挖掘力、冲击力、矿石的重力等，这些载荷的作用会使工作装置的部件产生疲劳损伤和冲击破坏。因此，选择合适的材料，提高其强度和韧性，对于增强工作装置的结构可靠性至关重要。以铲斗为例，铲斗在挖掘过程中需要直接与矿石等物料接触，承受巨大的冲击力和摩擦力。常用的铲斗材料有高锰钢、低合金高强度钢等。高锰钢具有良好的加工硬化性能，在受到冲击时，其表面会迅速硬化，形成一层硬而耐磨的表面层，从而提高铲斗的耐磨性和抗冲击能力。例如，在某矿山的实际应用中，采用高锰钢制造的铲斗，在经过长时间的挖掘作业后，其磨损程度明显低于其他材料制造的铲斗，且在承受较大冲击力时，不易出现变形和断裂等问题。低合金高强度钢则具有较高的屈服强度和抗拉强度，能够承受更大的载荷。通过在钢中添加少量的合金元素，如锰、硅、钒、钛等，可以提高钢的强度和韧性，同时改善其焊接性能和耐腐蚀性。在一些对挖掘力要求较高的工况下，使用低合金高强度钢制造的铲斗能够更好地满足作业需求，提高工作效率。斗杆作为工作装置中承受弯曲和扭转力的重要部件，其材料的强度和韧性也直接影响着斗杆的使用寿命和可靠性。传统的斗杆材料多为普通碳素钢，随着对挖掘机性能要求的不断提高，高强度合金钢逐渐成为斗杆的主要材料。高强度合金钢具有较高的强度和韧性，能够在保证斗杆结构强度的前提下，减轻斗杆的重量，降低能耗。例如，采用Q345等低合金高强度钢制造的斗杆，与采用普通碳素钢制造的斗杆相比，在相同的工况下，其疲劳寿命提高了[X]%，同时斗杆的重量减轻了[X]%，有效提高了挖掘机的作业性能。材料的强度和韧性之间存在着一定的关系。一般来说，强度较高的材料，其韧性相对较低；而韧性较好的材料，其强度可能会受到一定影响。在选择材料时，需要综合考虑工作装置的具体工作条件和性能要求，寻求强度和韧性的最佳平衡点。例如，在一些对冲击载荷要求较高的部位，如铲斗的斗齿、斗唇等，应优先选择韧性较好的材料，以提高其抗冲击能力；而在一些对结构强度要求较高的部位，如斗杆的关键受力部位，应选择强度较高的材料，以确保结构的稳定性。此外，还可以通过适当的热处理工艺，如淬火、回火等，来调整材料的强度和韧性，使其满足工作装置的使用要求。3.2.2材料耐腐蚀性矿山环境通常较为恶劣，存在着大量的粉尘、水分、酸碱等腐蚀性物质，这些因素会对机械式矿用挖掘机工作装置的材料产生腐蚀作用，从而影响结构的可靠性和使用寿命。因此，材料在矿山恶劣环境下的耐腐蚀性能是影响工作装置结构可靠性的重要因素之一。金属材料在矿山环境中容易发生化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是指金属与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀，如金属与空气中的氧气、水分等发生氧化反应，生成金属氧化物。电化学腐蚀则是指金属在电解质溶液中，由于形成原电池而发生的腐蚀，这种腐蚀更为常见且危害更大。在矿山环境中，水分、粉尘等会在金属表面形成电解质溶液，当金属表面存在不同的电位差时，就会形成原电池，导致金属的腐蚀。例如，工作装置中的销轴、螺栓等连接件，由于经常与潮湿的空气和粉尘接触，容易发生电化学腐蚀，导致连接件的强度降低，甚至出现断裂，从而影响工作装置的正常运行。材料的耐腐蚀性能对工作装置的结构可靠性和使用寿命有着直接的影响。以动臂为例，动臂在长期的使用过程中，其表面会受到腐蚀介质的侵蚀，导致材料的厚度减薄，强度降低。当腐蚀达到一定程度时，动臂可能会出现局部变形、开裂等问题，严重影响其承载能力和工作性能。据统计，在一些矿山中，由于动臂材料的耐腐蚀性能不足，导致动臂的维修次数增加，使用寿命缩短了[X]%。同样，斗杆和铲斗等部件也会受到腐蚀的影响，降低其可靠性和使用寿命。铲斗在挖掘含有腐蚀性物质的矿石时，斗体表面会迅速腐蚀，不仅降低了铲斗的耐磨性，还可能导致斗体出现漏洞，影响挖掘作业的正常进行。为了提高材料在矿山恶劣环境下的耐腐蚀性能，可以采取多种措施。一方面，可以选择具有良好耐腐蚀性能的材料，如不锈钢、耐候钢等。不锈钢中含有铬、镍等合金元素，能够在金属表面形成一层致密的氧化膜，阻止腐蚀介质的进一步侵蚀，具有优异的耐腐蚀性能。在一些对耐腐蚀性能要求较高的部位，如工作装置的外露部分、与腐蚀性矿石接触的部件等，可以采用不锈钢制造，以提高其耐腐蚀能力。耐候钢则是在普通碳素钢中加入少量的合金元素，如铜、磷、铬、镍等，使其在大气中具有良好的耐腐蚀性能。耐候钢的耐腐蚀性能比普通碳素钢提高了[X]倍以上，能够有效延长工作装置的使用寿命。另一方面，可以通过表面防护处理来提高材料的耐腐蚀性能，如涂装、电镀、热浸镀等。涂装是一种常见的表面防护方法，通过在金属表面涂覆一层油漆、涂料等，形成一层保护膜，隔绝腐蚀介质与金属的接触，从而达到防腐的目的。电镀是将金属镀在另一种金属表面，形成一层金属镀层，提高金属的耐腐蚀性能。热浸镀则是将金属浸入熔融的金属液中，使其表面形成一层金属镀层，这种方法具有镀层厚度均匀、附着力强等优点，能够有效提高材料的耐腐蚀性能。3.3工作载荷因素3.3.1挖掘力与冲击力在机械式矿用挖掘机的挖掘作业过程中，挖掘力和冲击力是影响工作装置结构的重要因素，其大小、方向及作用时间对结构有着显著的影响。挖掘力是挖掘机在挖掘过程中，铲斗对矿石施加的切削力，其大小取决于多种因素，如矿石的硬度、挖掘方式、挖掘机的功率等。在实际作业中，挖掘力的大小会随着挖掘工况的变化而波动。当挖掘较硬的矿石时，需要较大的挖掘力才能将矿石从矿体上剥离下来；而挖掘松散的物料时，所需的挖掘力相对较小。根据相关研究和实际测量数据，对于大型机械式矿用挖掘机，其最大挖掘力可达数十吨甚至上百吨。例如，某型号的35立方米斗容的机械式矿用挖掘机，在挖掘硬度为f=8-10的矿石时，其最大挖掘力可达到[X]吨。挖掘力的方向并非固定不变，而是随着铲斗的运动轨迹和挖掘角度的变化而不断改变。在挖掘开始时，铲斗以一定的角度切入矿石，此时挖掘力的方向主要是向前下方；随着挖掘的进行，铲斗逐渐装满矿石，挖掘力的方向会逐渐向上变化，以克服矿石的重力和摩擦力，将矿石提升起来。挖掘力方向的变化会导致工作装置各部件的受力状态发生改变，使得部件承受的应力分布更加复杂。例如，斗杆在挖掘过程中，不仅要承受因挖掘力产生的弯曲应力，还会由于挖掘力方向的变化而承受一定的扭转应力。冲击力则是在挖掘瞬间，由于铲斗与矿石的碰撞而产生的瞬时作用力。在挖掘坚硬的矿石或遇到大块的障碍物时，铲斗会受到较大的冲击力。这种冲击力的作用时间极短，但峰值很大，可能会对工作装置的结构造成严重的破坏。根据实验和现场监测数据，在一些极端情况下，冲击力的峰值可以达到挖掘力的数倍。例如，在某矿山的挖掘作业中，当铲斗遇到一块坚硬的岩石时，瞬间产生的冲击力达到了正常挖掘力的[X]倍，导致斗齿出现了严重的崩裂，斗杆也产生了明显的变形。冲击力的方向同样具有不确定性，它取决于铲斗与矿石的碰撞角度和碰撞位置。当铲斗以较大的角度碰撞矿石时，冲击力的方向会更加偏向于垂直方向，对铲斗和斗杆的垂直方向的作用力增大；而当碰撞角度较小时，冲击力的方向则更接近水平方向，主要对斗杆产生水平方向的冲击。这种冲击力方向的不确定性增加了工作装置结构设计的难度，要求结构能够在多个方向上承受冲击载荷。挖掘力和冲击力的作用时间对工作装置结构的影响也不容忽视。长时间的挖掘作业会使工作装置部件持续承受挖掘力的作用，导致部件的疲劳损伤逐渐积累。即使是较小的挖掘力，在长期反复作用下，也可能使部件出现疲劳裂纹，最终导致结构失效。冲击力虽然作用时间短，但由于其峰值大，在瞬间会对结构产生巨大的应力，容易使结构产生塑性变形、断裂等损伤。如果冲击力频繁作用，还会加速结构的疲劳破坏。例如，在某矿山的挖掘机作业中，由于频繁遇到坚硬的矿石，铲斗和斗杆在短时间内受到多次强烈的冲击，导致斗杆在使用较短时间后就出现了疲劳裂纹，严重影响了工作装置的可靠性和使用寿命。3.3.2交变载荷与疲劳损伤在矿山开采作业中，机械式矿用挖掘机工作装置长期处于复杂的工况环境中，承受着周期性交变载荷的作用。这种交变载荷主要来源于挖掘作业过程中的挖掘力、提升力、回转力以及矿石的重力等。由于挖掘机的作业过程是一个周期性的动作，如挖掘、回转、卸载等，工作装置各部件所承受的载荷也会随着这些动作的循环而发生周期性的变化，从而形成交变载荷。工作装置在交变载荷作用下，其内部的应力分布也会发生周期性的变化。当部件承受拉伸载荷时，内部会产生拉应力；当承受压缩载荷时，会产生压应力。随着载荷的交替变化，部件内部的应力也会在拉应力和压应力之间不断切换。这种周期性的应力变化会使部件材料内部的晶体结构逐渐发生变化，产生微观裂纹。随着交变载荷循环次数的增加，这些微观裂纹会逐渐扩展，当裂纹扩展到一定程度时，就会导致部件的疲劳失效。疲劳损伤的机理主要涉及材料的微观结构变化和裂纹的萌生与扩展。在交变载荷的作用下，材料内部的晶体滑移系会交替地启动和停止，导致晶体位错的运动和堆积。随着位错的不断堆积，会在材料内部形成应力集中区域，这些区域就是微观裂纹的萌生点。一旦微观裂纹形成，在后续的交变载荷作用下，裂纹会沿着材料的薄弱部位逐渐扩展。裂纹的扩展过程可以分为三个阶段：裂纹的初始扩展阶段、稳定扩展阶段和快速扩展阶段。在初始扩展阶段，裂纹扩展速度较慢；随着交变载荷循环次数的增加，裂纹进入稳定扩展阶段，扩展速度逐渐加快；当裂纹扩展到一定程度，达到材料的临界裂纹尺寸时，裂纹会进入快速扩展阶段，此时部件的承载能力急剧下降，最终导致疲劳断裂。为了预测工作装置在交变载荷作用下的疲劳寿命，需要采用合适的寿命预测方法。常用的寿命预测方法有基于应力-寿命（S-N）曲线的方法、基于应变-寿命（ε-N）曲线的方法以及基于断裂力学的方法等。基于S-N曲线的方法是通过对材料进行疲劳试验，得到材料在不同应力水平下的疲劳寿命，绘制出S-N曲线。在实际应用中，根据工作装置部件所承受的应力幅值和平均应力，在S-N曲线上查找对应的疲劳寿命。这种方法适用于高周疲劳问题，即应力水平较低、疲劳寿命较长的情况。基于ε-N曲线的方法则是考虑了材料在交变载荷作用下的应变响应，通过对材料进行应变控制的疲劳试验，得到材料的ε-N曲线。该方法适用于低周疲劳问题，即应力水平较高、疲劳寿命较短的情况。基于断裂力学的方法则是从裂纹的萌生和扩展角度出发，通过分析裂纹的扩展速率和临界裂纹尺寸，预测部件的疲劳寿命。这种方法能够更准确地考虑裂纹对疲劳寿命的影响，适用于已经存在初始裂纹的部件。在实际工程中，为了提高工作装置的疲劳寿命，需要采取一系列措施。一方面，可以通过优化结构设计，减少应力集中区域，使部件在交变载荷作用下的应力分布更加均匀。例如，在斗杆与动臂的连接部位，采用合理的过渡圆角和加强筋设计，降低应力集中程度。另一方面，可以选择疲劳性能好的材料，提高材料的抗疲劳能力。此外，还可以通过表面强化处理，如喷丸、滚压等，在部件表面形成残余压应力，抑制裂纹的萌生和扩展，从而提高部件的疲劳寿命。3.4工作环境因素3.4.1温度与湿度温度与湿度是影响机械式矿用挖掘机工作装置结构可靠性的重要环境因素。在高温环境下，金属材料的性能会发生显著变化。随着温度的升高，金属材料的强度和弹性模量会逐渐降低，这使得工作装置的结构在承受相同载荷时更容易发生变形。例如，当工作装置的材料在高温下强度降低时，动臂、斗杆等部件在挖掘力和自身重力的作用下，可能会出现较大的弯曲变形，影响挖掘作业的精度和效率。高温还会导致金属材料的热膨胀系数增大，从而使工作装置各部件之间的配合精度受到影响。在挖掘机工作过程中，不同部件由于温度变化产生的热膨胀量不同，如果配合间隙设计不合理，可能会导致部件之间出现卡死、松动等问题。例如，销轴与连接孔在高温下可能会因热膨胀而出现过盈配合，导致销轴难以转动，甚至损坏连接部件；而一些连接螺栓则可能因热膨胀而松动，降低连接的可靠性。湿度对工作装置结构可靠性的影响也不容忽视。高湿度环境下，金属材料容易发生腐蚀。空气中的水分会在金属表面形成一层水膜，当水膜中溶解了氧气、二氧化碳等气体时，会形成电解质溶液，从而引发金属的电化学腐蚀。例如，在矿山潮湿的环境中，工作装置的动臂、斗杆等部件表面会逐渐生锈，腐蚀产物会不断堆积，导致材料的有效截面积减小，强度降低。长期处于高湿度环境下，金属材料的腐蚀速度会加快，严重时可能会导致部件出现穿孔、断裂等问题，极大地影响工作装置的结构可靠性和使用寿命。此外，高湿度还可能对工作装置中的电气设备和润滑系统产生不利影响。电气设备在高湿度环境下容易出现短路、漏电等故障，影响挖掘机的正常操作和控制。例如，传感器、控制器等电气元件受潮后，其性能可能会下降，导致挖掘机的工作参数监测不准确，控制失灵。润滑系统中的润滑油在高湿度环境下容易乳化，降低润滑性能，增加部件之间的摩擦和磨损。例如，斗杆油缸的活塞与缸筒之间，如果润滑油乳化，会使活塞运动阻力增大，甚至出现卡滞现象，影响斗杆的正常工作。3.4.2粉尘与腐蚀性介质矿山作业环境中存在大量的粉尘和腐蚀性介质，这些物质对机械式矿用挖掘机工作装置的结构有着严重的侵蚀作用。粉尘是矿山环境中常见的污染物，其主要来源于矿石的开采、破碎和运输过程。大量的粉尘会在工作装置表面堆积，不仅影响设备的外观，更重要的是会加速部件的磨损。当粉尘进入到工作装置的运动部件之间，如销轴与连接孔、活塞与缸筒等，会起到磨料的作用，加剧部件之间的摩擦。在斗杆的销轴与连接孔之间，如果粉尘进入，随着斗杆的运动，粉尘会不断刮擦销轴和连接孔的表面，导致表面粗糙度增加，配合精度下降，从而使斗杆的运动灵活性降低，甚至出现卡顿现象。长期积累下来，还会使销轴和连接孔的磨损加剧，缩短部件的使用寿命。粉尘还可能对工作装置的润滑系统造成损害。它会污染润滑油，使润滑油的清洁度下降，降低润滑效果。当润滑油中混入大量粉尘时，其黏度会发生变化，无法在部件表面形成有效的油膜，导致部件之间的直接接触和磨损加剧。例如，铲斗油缸的润滑系统如果被粉尘污染，可能会导致油缸活塞杆表面出现划痕，密封件损坏，进而引起液压油泄漏，影响铲斗的正常工作。腐蚀性介质在矿山环境中也较为常见，包括酸性气体、碱性溶液以及含有各种化学物质的矿山废水等。这些腐蚀性介质会与工作装置的金属材料发生化学反应，导致材料的腐蚀和损坏。酸性气体如二氧化硫、硫化氢等，在潮湿的环境下会与空气中的水分结合，形成酸性溶液，对金属材料产生强烈的腐蚀作用。例如，工作装置的动臂在长期接触酸性气体后，表面会出现腐蚀坑，材料的厚度逐渐减薄，强度降低。碱性溶液和矿山废水同样会对金属材料造成腐蚀。碱性溶液会破坏金属表面的氧化膜，使金属失去保护膜的保护，从而加速腐蚀过程。矿山废水中含有大量的重金属离子、硫酸根离子等，这些离子会与金属发生电化学反应，导致金属的腐蚀。例如，斗杆在接触矿山废水后，其表面的金属会逐渐溶解，形成腐蚀产物，降低斗杆的结构强度和可靠性。此外，腐蚀性介质还可能对工作装置中的密封件、橡胶件等非金属材料产生破坏作用。密封件在接触腐蚀性介质后，会发生老化、变形，失去密封性能，导致液压油泄漏、气体泄漏等问题。橡胶件在腐蚀性介质的作用下，会变硬、变脆，失去弹性，从而影响其缓冲和减震性能。例如，铲斗与斗杆之间的橡胶缓冲垫，如果受到腐蚀性介质的侵蚀，会失去缓冲作用，使铲斗在工作时产生的冲击力直接传递到斗杆上，加剧斗杆的疲劳损伤。四、机械式矿用挖掘机工作装置结构可靠性优化设计方法4.1优化设计理论基础4.1.1可靠性设计理论可靠性设计是一种基于概率统计的设计方法，旨在确保产品在规定的条件下和规定的时间内，能够完成规定功能的能力。在机械式矿用挖掘机工作装置的设计中，可靠性设计理论起着至关重要的作用，它能够有效地提高工作装置的可靠性和稳定性，降低故障发生的概率，减少维修成本和停机时间。可靠性的基本概念围绕着产品完成规定功能的能力展开。其中，可靠度是衡量可靠性的关键指标，它表示产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率。例如，对于机械式矿用挖掘机的工作装置，若规定其在1000小时的连续工作时间内，正常挖掘作业的概率不低于95%，这里的95%就是该工作装置在这一特定条件下的可靠度。可靠度是一个介于0和1之间的数值，越接近1，表示产品的可靠性越高。与可靠度相对应的是失效概率，它指的是产品在规定条件下和规定时间内不能完成规定功能的概率。失效概率与可靠度之和为1，即失效概率=1-可靠度。失效概率是评估产品可靠性的另一个重要指标，它反映了产品出现故障的可能性大小。在实际应用中，通过计算失效概率，可以帮助设计人员了解产品在不同工况下的可靠性水平，从而采取相应的措施来降低失效概率，提高产品的可靠性。失效率也是可靠性设计中的一个重要概念，它表示在时刻t之前尚未发生故障的产品，在时刻t后的单位时间内发生故障的概率。失效率随时间的变化通常呈现出浴盆曲线的形状，可分为早期失效期、偶然失效期和耗损失效期三个阶段。在早期失效期，由于产品在设计、制造或装配过程中可能存在一些缺陷，失效率较高，但随着这些缺陷的逐渐暴露和排除，失效率会逐渐降低。在偶然失效期，产品的失效率处于较低且相对稳定的状态，这是产品的正常工作阶段。在耗损失效期，由于产品的零部件逐渐磨损、老化，失效率会逐渐上升，产品出现故障的概率也随之增加。了解失效率的变化规律，对于制定合理的维护计划和更换零部件的时间具有重要指导意义。在可靠性设计中，还需要考虑可靠性指标的分配问题。可靠性指标分配是将系统的可靠性指标合理地分配到各个子系统和零部件上，以确保整个系统能够达到预期的可靠性水平。例如，对于机械式矿用挖掘机的工作装置，需要将其整体的可靠度指标分配到动臂、斗杆、铲斗等各个部件上。在进行可靠性指标分配时，通常会采用一些方法，如等分配法、比例分配法、动态规划法等。等分配法是将系统的可靠性指标平均分配到各个子系统上，这种方法简单易行，但没有考虑到各个子系统的重要性和复杂程度。比例分配法是根据各个子系统的复杂度、重要性等因素，按照一定的比例分配可靠性指标，这种方法相对更加合理。动态规划法是一种基于数学规划的方法，通过建立优化模型，求解出各个子系统的最优可靠性指标分配方案，能够更加科学地进行可靠性指标分配。可靠性设计理论在机械式矿用挖掘机工作装置设计中的应用，能够充分考虑到各种不确定性因素对工作装置可靠性的影响，通过合理的设计和分析，提高工作装置的可靠性和稳定性，为矿山开采的高效、安全运行提供有力保障。4.1.2优化设计算法在机械式矿用挖掘机工作装置结构优化设计中，常用的优化设计算法有遗传算法、粒子群算法等，这些算法在解决复杂的结构优化问题时展现出了独特的优势。遗传算法是一种模拟自然界生物进化过程的随机搜索算法，其基本思想源于达尔文的进化论和孟德尔的遗传学说。它通过模拟自然选择和遗传变异的过程，在解空间中搜索最优解。在遗传算法中，首先需要对问题的解进行编码，将其表示为染色体的形式。例如，对于机械式矿用挖掘机工作装置的结构优化问题，可以将动臂、斗杆、铲斗等部件的尺寸参数、材料参数等作为基因，组成染色体。然后，随机生成一组初始染色体，形成初始种群。适应度函数是遗传算法中的关键部分，它用于评估每个染色体的优劣程度。在工作装置结构优化中，适应度函数可以根据优化目标来确定。若优化目标是使结构重量最轻，那么适应度函数可以定义为结构重量的倒数，重量越轻，适应度值越高；若优化目标是提高结构的可靠性，适应度函数可以与结构的可靠度相关，可靠度越高，适应度值越高。通过计算每个染色体的适应度值，选择适应度较高的染色体进行遗传操作，包括选择、交叉和变异。选择操作是从当前种群中选择适应度较高的染色体，使其有更多的机会遗传到下一代。常见的选择方法有轮盘赌选择法、锦标赛选择法等。轮盘赌选择法是根据每个染色体的适应度值，按照一定的概率进行选择，适应度值越高，被选中的概率越大。锦标赛选择法是从种群中随机选择一定数量的染色体进行比较，选择其中适应度最高的染色体进入下一代。交叉操作是将两个选中的染色体进行基因交换，生成新的染色体。交叉操作可以增加种群的多样性，有助于搜索到更优的解。常见的交叉方法有单点交叉、多点交叉、均匀交叉等。单点交叉是在两个染色体上随机选择一个交叉点，将交叉点之后的基因进行交换；多点交叉则是选择多个交叉点，进行多次基因交换；均匀交叉是对每个基因位，以一定的概率进行交换。变异操作是对染色体中的某些基因进行随机改变，以防止算法陷入局部最优解。变异操作可以引入新的基因，增加种群的多样性。变异的方式有多种，如随机变异、自适应变异等。随机变异是对染色体中的基因以一定的概率进行随机改变；自适应变异则是根据算法的运行情况，自动调整变异的概率和方式。粒子群算法是一种基于群体智能的优化算法，它模拟鸟群觅食的行为，通过粒子之间的协作和信息共享来寻找最优解。在粒子群算法中，每个粒子代表问题的一个解，粒子在解空间中以一定的速度飞行，其速度和位置根据自身的历史最优解和群体的全局最优解进行调整。每个粒子都有一个速度向量和一个位置向量。速度向量决定了粒子在解空间中的飞行方向和速度大小，位置向量则表示粒子在解空间中的当前位置。在每次迭代中，粒子根据以下公式更新自己的速度和位置：v_{i}(t+1)=w\timesv_{i}(t)+c_{1}\timesr_{1}\times(p_{i}-x_{i}(t))+c_{2}\timesr_{2}\times(g-x_{i}(t))x_{i}(t+1)=x_{i}(t)+v_{i}(t+1)其中，v_{i}(t)和x_{i}(t)分别表示第i个粒子在t时刻的速度和位置；w是惯性权重，它决定了粒子对自身历史速度的继承程度，较大的w值有利于全局搜索，较小的w值有利于局部搜索；c_{1}和c_{2}是学习因子，通常称为加速常数，它们分别表示粒子向自身历史最优解和群体全局最优解学习的程度；r_{1}和r_{2}是两个在[0,1]之间的随机数；p_{i}是第i个粒子的历史最优解，即该粒子在过去迭代中所达到的最优位置；g是群体的全局最优解，即整个群体在过去迭代中所找到的最优位置。在机械式矿用挖掘机工作装置结构优化中，粒子群算法通过不断调整粒子的速度和位置，使粒子逐渐靠近最优解。与遗传算法相比，粒子群算法具有收敛速度快、计算简单等优点，但在处理复杂的多目标优化问题时，可能会出现早熟收敛的情况。因此，在实际应用中，通常会根据具体问题的特点，选择合适的优化算法，或者将多种算法结合起来使用，以提高优化效果。4.2基于有限元分析的结构优化4.2.1有限元模型建立利用专业的有限元分析软件，如ANSYS、ABAQUS等，对机械式矿用挖掘机工作装置进行有限元模型的建立，这是进行结构优化的基础步骤，其准确性直接影响后续分析和优化的结果。在建立模型时，首先需要对工作装置进行合理的简化。由于实际的工作装置结构复杂，包含众多细节特征，如倒角、小孔、凸台等，这些细节在不影响整体力学性能的前提下可以适当简化。例如，对于一些尺寸较小的工艺孔和非关键的倒角，在建模时可以忽略不计，以减少模型的自由度和计算量。同时，对于一些连接部位，如销轴连接，可根据实际情况进行等效处理，将其简化为刚性连接或铰接，以更准确地模拟其力学行为。单元选择是有限元模型建立的关键环节之一。不同的单元类型具有不同的特点和适用范围，需要根据工作装置各部件的几何形状、受力特点等因素进行选择。对于动臂、斗杆等主要承受弯曲和拉伸载荷的部件，通常选用梁单元或壳单元。梁单元适用于细长结构，能够较好地模拟其弯曲和轴向受力情况；壳单元则适用于薄壁结构，能够准确地计算其弯曲、剪切和拉伸应力。在ANSYS软件中，对于动臂和斗杆，可选用BEAM188梁单元或SHELL181壳单元。对于铲斗等形状复杂且承受复杂载荷的部件，可选用实体单元，如SOLID185单元，它能够更精确地模拟部件在各个方向上的受力情况。网格划分是影响计算精度和计算效率的重要因素。合理的网格划分可以在保证计算精度的前提下，减少计算时间和内存消耗。在划分网格时，需要根据部件的几何形状和受力情况进行局部加密或稀疏处理。对于应力集中区域，如动臂与斗杆的连接部位、铲斗的斗齿根部等，应采用较细的网格进行划分，以提高计算精度，准确捕捉应力变化情况；而对于受力较小且结构相对简单的区域，可以采用较粗的网格划分，以减少计算量。同时，还需要注意网格的质量，避免出现畸形单元，保证网格的形状规则和节点分布均匀。可以通过调整网格划分参数，如单元尺寸、增长率等，来优化网格质量。在ANSYS软件中，可使用智能网格划分功能，根据模型的几何特征和用户设定的参数，自动生成高质量的网格。此外，还需要对模型施加边界条件和载荷。边界条件的施加应根据工作装置的实际工作情况进行模拟，如动臂与回转平台的连接部位可设置为固定约束，限制其在各个方向上的位移和转动。载荷的施加则需要考虑工作装置在不同工况下所承受的各种力，如挖掘力、提升力、矿石重力、惯性力等。在挖掘工况下，应根据实际挖掘力的大小和方向，在铲斗的斗齿部位施加相应的力载荷；在提升工况下，应在提升钢丝绳与动臂的连接点处施加提升力载荷。同时，还需要考虑惯性力的影响，根据挖掘机的工作速度和加速度，计算出各部件的惯性力，并施加到相应的节点上。通过准确地施加边界条件和载荷，能够使有限元模型更真实地反映工作装置的实际受力状态，为后续的结构强度与刚度分析提供可靠的数据基础。4.2.2结构强度与刚度分析通过有限元分析软件对建立好的工作装置有限元模型进行计算，能够得到其在不同工况下的应力、应变分布情况，从而评估结构的强度和刚度是否满足设计要求。在挖掘工况下，工作装置承受着巨大的挖掘力和矿石的反作用力。以某型号机械式矿用挖掘机为例，当铲斗挖掘硬度为f=8-10的矿石时，最大挖掘力可达[X]吨。通过有限元分析，在该工况下，铲斗的斗齿和斗唇部位会出现较高的应力集中。斗齿根部由于直接承受挖掘力的冲击，应力值可达[X]MPa，远远超过了材料的许用应力，容易出现疲劳裂纹和断裂。斗唇在与矿石的摩擦和碰撞过程中，也会产生较大的应力，导致磨损加剧。斗杆在挖掘力的作用下，会产生弯曲和扭转应力，其危险截面通常位于斗杆与动臂的连接部位以及斗杆的中部，应力值分别可达[X]MPa和[X]MPa。如果斗杆的强度不足，可能会出现弯曲变形甚至折断，影响挖掘作业的正常进行。在提升工况下，工作装置主要承受提升力和自身重力。提升力通过提升钢丝绳传递到动臂和斗杆上，使动臂和斗杆承受拉伸和弯曲载荷。在提升满载铲斗时，提升力可达[X]吨。此时，动臂的上端与提升钢丝绳连接部位以及动臂的根部会承受较大的应力，应力值分别为[X]MPa和[X]MPa。如果动臂的强度和刚度不足，可能会出现局部变形，影响铲斗的提升高度和稳定性。斗杆在提升过程中，由于自身重力和提升力的作用，也会产生一定的弯曲应力，其应力值在斗杆的不同部位有所差异，最大可达[X]MPa。在回转工况下，工作装置会受到惯性力和离心力的作用。随着回转速度的增加，惯性力和离心力也会增大。当挖掘机以较高的速度回转时，动臂、斗杆和铲斗会承受较大的惯性力，导致结构产生振动和变形。在回转半径为[X]米，回转速度为[X]转/分钟的工况下，动臂和斗杆的某些部位会出现应力集中现象，应力值可达[X]MPa。这些应力可能会对结构的疲劳寿命产生影响，降低结构的可靠性。通过对不同工况下的应力、应变分布进行分析，可以评估结构的强度和刚度。将计算得到的应力值与材料的许用应力进行比较，如果应力值超过许用应力，则说明结构的强度不足，需要进行改进。对结构的变形情况进行分析，若变形过大，影响了工作装置的正常工作，则说明结构的刚度不足。在挖掘工况下，如果斗杆的变形超过了允许范围，会导致铲斗的挖掘轨迹发生偏差，影响挖掘精度。通过有限元分析，还可以找出结构的薄弱环节，为后续的结构优化提供依据。在上述分析中，发现斗齿根部、斗杆与动臂的连接部位等是结构的薄弱环节，在优化设计中应重点对这些部位进行加强。4.2.3基于分析结果的优化策略根据有限元分析得到的应力、应变分布以及结构的强度和刚度评估结果，可以有针对性地提出结构优化的策略和方法，以提高工作装置的可靠性和性能。结构形状优化是一种有效的优化方法，通过改变结构的几何形状，使结构在受力时的应力分布更加均匀，从而提高结构的强度和刚度。对于动臂，可以对其截面形状进行优化，采用变截面设计。在动臂的根部，由于承受较大的弯矩和拉力，可适当增加截面尺寸，提高其承载能力；在动臂的上部，受力相对较小，可减小截面尺寸，减轻结构重量。通过这种变截面设计，可以使动臂的应力分布更加合理，在保证强度和刚度的前提下，减轻结构重量，降低能耗。对于斗杆，可以优化其连接部位的形状，采用合理的过渡圆角和加强筋设计，减少应力集中。在斗杆与动臂的连接部位，将连接销轴的孔周围设计成适当的圆角，并增加加强筋板，能够有效降低应力集中程度，提高斗杆的疲劳寿命。尺寸优化是通过调整结构的尺寸参数，如厚度、长度、宽度等，来满足结构的强度、刚度和稳定性要求。在满足强度和刚度要求的前提下，可适当减小动臂、斗杆等部件的壁厚，减轻结构重量。通过有限元分析计算，将动臂的壁厚从[X]mm减小到[X]mm，经过强度和刚度校核，结构仍然满足设计要求，同时结构重量减轻了[X]%。还可以对各部件的长度和宽度进行优化，根据挖掘作业的实际需求，合理调整斗杆的长度，在保证挖掘范围的前提下，提高斗杆的强度和刚度。材料选择优化也是提高结构性能的重要手段。根据工作装置各部件的受力特点和工作环境，选择合适的材料。对于铲斗，由于其在挖掘过程中需要承受较大的冲击力和磨损，可选用耐磨性能好、强度高的材料，如高锰钢或添加了特殊合金元素的高强度钢。高锰钢在受到冲击时，表面会迅速硬化，形成一层硬而耐磨的表面层，提高铲斗的使用寿命。对于斗杆，可选用强度高、韧性好的材料，如Q345等低合金高强度钢，以提高其抗弯曲和抗疲劳性能。在一些对重量要求较高的部位，还可以考虑使用新型材料，如铝合金等，在保证结构性能的前提下，减轻结构重量。在优化过程中，还可以采用拓扑优化方法。拓扑优化是在给定的设计空间、载荷工况和约束条件下，寻求材料的最优分布形式，以达到结构性能最优的目的。通过拓扑优化，可以去除结构中不必要的材料，保留主要的受力结构，使结构的材料分布更加合理。在对工作装置进行拓扑优化时，以结构重量最轻为目标，以应力、位移等为约束条件，通过优化算法求解，得到材料的最优分布。经过拓扑优化后，工作装置的结构形状可能会发生较大变化，出现一些不规则的形状，但这些形状能够使结构在受力时更加合理，提高结构的性能。通过以上结构优化策略和方法的综合应用，可以有效提高机械式矿用挖掘机工作装置的结构可靠性和性能，使其在满足矿山开采作业要求的同时，降低成本，提高经济效益。4.3多目标优化设计4.3.1优化目标确定在对机械式矿用挖掘机工作装置进行结构可靠性优化时，需要综合考虑多个目标，以实现工作装置性能的全面提升。提高可靠性是优化设计的核心目标之一。工作装置在矿山恶劣的工作环境下，承受着复杂多变的载荷，其可靠性直接关系到挖掘机的正常运行和生产效率。通过优化设计，增强结构的强度、刚度和稳定性，降低疲劳损伤和故障发生的概率，从而提高工作装置的可靠性。例如，在动臂和斗杆的设计中，合理调整结构尺寸和形状，增加关键部位的强度，减少应力集中，提高其抗疲劳性能，确保在长期的工作过程中能够稳定可靠地运行。降低重量也是重要的优化目标。减轻工作装置的重量不仅可以降低材料成本，还能减少挖掘机的整体能耗，提高能源利用效率。在满足结构强度和可靠性要求的前提下，通过优化结构设计，采用轻量化材料等措施，实现工作装置的减重。例如，对于斗杆，采用高强度、低密度的铝合金材料代替传统的钢材，在保证其承载能力的同时，显著减轻了斗杆的重量；在结构设计上，运用拓扑优化方法，去除不必要的材料，使结构更加紧凑合理，进一步降低重量。减少成本同样不容忽视。成本包括材料成本、制造成本、维修成本等多个方面。在材料选择上，综合考虑材料的性能和价格，选择性价比高的材料，既能满足工作装置的性能要求，又能降低材料采购成本。在制造成本方面，通过优化设计，简化制造工艺，提高生产效率，降低加工难度和制造成本。合理的结构设计可以减少维修次数和维修难度，降低维修成本。例如，优化铲斗的结构，使其在磨损后更容易进行修复和更换零部件，减少维修时间和费用。此外，还可以将提高工作效率、改善操作性能等作为优化目标。提高工作效率可以通过优化工作装置的运动学参数，使挖掘、装载等作业动作更加流畅高效，缩短作业循环时间。改善操作性能则可以从人机工程学的角度出发，优化操作手柄的位置、力度反馈等，使操作人员更加舒适、便捷地操作挖掘机，减少误操作的概率。在实际优化过程中，这些目标之间往往存在相互矛盾和制约的关系。提高可靠性可能需要增加材料用量或采用更高强度的材料，从而导致重量增加和成本上升；降低重量可能会对结构的强度和可靠性产生一定影响。因此，需要在多个目标之间进行权衡和协调，找到一个最优的解决方案，以实现工作装置综合性能的提升。4.3.2多目标优化方法应用为了实现多个目标的平衡优化，需要运用合适的多目标优化方法。加权法是一种常用的多目标优化方法，它通过为每个目标分配一个权重，将多个目标转化为一个综合目标函数。对于机械式矿用挖掘机工作装置的结构可靠性优化，假设提高可靠性、降低重量和减少成本三个目标分别为f_1(x)、f_2(x)、f_3(x)，对应的权重分别为w_1、w_2、w_3，则综合目标函数F(x)可以表示为：F(x)=w_1f_1(x)+w_2f_2(x)+w_3f_3(x)其中，x为设计变量，如结构尺寸、材料参数等。权重的确定是加权法的关键，它反映了各个目标的相对重要性。权重的确定可以根据实际工程需求、经验或专家意见来确定。如果在某一矿山开采项目中，对工作装置