大型矿用挖掘机设计关键技术研究

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导师姓名
王国强
学科专业
机械设计及理论
文献出处
吉林大学   2014年
关键词
大型矿用挖掘机论文  工作装置论文  行走装置论文  刚柔耦合论文  铲斗设计论文  离散元论文  数字化设计平台论文
论文摘要

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。

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摘要

ABSTRACT

主要符号说明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 大型矿用挖掘机概述

1.2.1 大型矿用挖掘机结构组成及工作原理

1.2.2 大型矿用挖掘机的发展现状及趋势

1.3 大型矿用挖掘机的国内外研究现状

1.3.1 挖掘机工作装置

1.3.2 挖掘机行走装置

1.3.3 矿用挖掘机的铲斗

1.3.4 数字化设计技术

1.4 本文的内容安排

第2章 大型矿用挖掘机的综合设计方法

2.1 矿用挖掘机设计的总体规划

2.1.1 设计思想与设计环境

2.1.2 设计过程

2.1.3 设计目标

2.1.4 设计内容和设计方法

2.1.5 产品设计质量检验与评估

2.2 矿用挖掘机设计的具体实施

2.2.1 用户需求分析

2.2.2 功能及功能优化设计

2.2.3 结构及零部件性能优化设计

2.3 矿用挖掘机设计的质量检验

2.3.1 通过样机试验进行设计质量的检验

2.3.2 用户直接使用方式的设计质量检验

2.4 本章小结

第3章 工作装置的刚柔耦合仿真

3.1 大型矿用挖掘机工作装置

3.2 工作装置的运动学分析

3.2.1 斗齿尖的理想挖掘轨迹

3.2.2 工作装置运动矢量关系

3.2.3 工作装置挖掘速度分解

3.2.4 斗齿尖的轨迹方程

3.3 挖掘阻力的理论分析

3.4 工作装置的虚拟样机仿真

3.4.1 多体动力学及虚拟样机技术

3.4.2 工作装置的虚拟样机仿真总体规划

3.4.3 工作装置的虚拟样机模型创建

3.4.4 虚拟样机运动学仿真结果分析

3.5 基于刚柔耦合的挖掘机工作装置动态仿真

3.5.1 刚柔耦合分析流程规划

3.5.2 关键部件的有限元模型创建

3.5.3 工作装置的刚柔耦合建模

3.5.4 起重臂为柔体的动态应力仿真分析

3.5.5 斗杆为柔体的动态应力仿真分析

3.6 本章小结

第4章 行走装置的刚柔耦合仿真

4.1 大型矿用挖掘机的行走装置

4.2 行走装置的接地压力

4.3 刚柔耦合数字样机创建

4.3.1 履带架有限元模型的建立

4.3.2 履带架模态分析

4.3.3 刚柔耦合系统仿真模型创建

4.4 虚拟样机的仿真结果分析

4.4.1 行走装置的虚拟样机模型

4.4.2 履带板与地面相互作用的变化规律

4.4.3 履带板与驱动轮啮合的仿真结果

4.4.4 支重轮及导向轮的承载能力仿真结果

4.4.5 履带架的刚柔耦合仿真结果

4.5 本章小结

第5章 基于离散单元法的挖掘机铲斗设计

5.1 基于离散元法的挖掘过程仿真模型创建

5.1.1 离散元法理论基础

5.1.2 离散元法的仿真软件

5.1.3 铲斗挖掘离散元模型的创建

5.2 铲斗挖掘过程仿真的结果分析

5.2.1 不同物料粒度对挖掘过程的影响

5.2.2 不同物理特性对挖掘过程的影响

5.3 基于离散元法的铲斗试验优化

5.3.1 试验优化方法的确定

5.3.2 试验优化的实施

5.3.3 优化结果分析

5.3.4 优化模型力学分析

5.4 本章小结

第6章 矿用挖掘机的数字化设计平台开发

6.1 设计平台的定位

6.2 设计平台的功能组成和平台框架结构设计

6.2.1 功能阐述

6.2.2 平台框架结构设计

6.3 NX/WAVE 技术在平台开发中的应用

6.4 设计平台的技术实现策略

6.4.1 平台开发环境选择

6.4.2 数据库系统构建

6.4.3 三维参数化模板的构建

6.4.4 参数化有限元分析模板构建

6.4.5 标准件库模块的开发

6.4.6 计算书自动生成功能的实现

6.5 使用验证及人机界面

6.6 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 论文的主要工作与成果

7.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究成果

致谢

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