隧道液壓挖掘機(jī)挖掘臂設(shè)計(jì)方法研究

袁泉 耿家文

摘 要：本文通過對(duì)隧道施工工法分析，定義隧道液壓挖掘機(jī)挖掘臂的典型作業(yè)工況，根據(jù)各工況下載荷譜數(shù)據(jù)的采集分析，設(shè)定鏟斗挖掘力;根據(jù)隧道空間作業(yè)設(shè)定合理的動(dòng)臂、斗桿尺寸及相應(yīng)的鉸點(diǎn)位置，再基于Creo骨架模型完成挖掘臂的仿真分析并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)出一套特殊工況下挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)流程與方法。

關(guān)鍵詞：隧道液壓挖掘機(jī);挖掘臂;挖掘力

引 言

隧道液壓挖掘機(jī)因其多工礦適用性，廣泛應(yīng)用于礦山/鐵路等隧道施工場合。徐工于2016年完成隧道挖掘機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)并推向市場，其狹小空間作業(yè)能力及挖掘效率優(yōu)勢(shì)突出。

一、隧道液壓挖掘機(jī)挖掘臂方案設(shè)計(jì)

隧道施工中，挖掘臂主要承擔(dān)對(duì)掌子面石層土層的破碎剝離等工作。針對(duì)不同的巷道挖掘臂要完成的挖掘工況和范圍也不盡相同，本文以典型巷道為例論述隧道液壓挖掘臂的研究設(shè)計(jì)方法。

1.1隧道液壓挖掘機(jī)挖掘臂工況分析

正確的載荷譜輸入是設(shè)計(jì)高可靠、高效率隧道液壓挖掘機(jī)挖掘臂的關(guān)鍵。根據(jù)隧道施工工藝的不同，在開挖環(huán)節(jié)需要順序完成掌子面上方巖石層的破碎挖掘、全掌子面的斷面修整、掌子面各溝槽的破碎開挖、頂部拱架位置開挖支護(hù)等。因頂部拱架為向上內(nèi)溝槽，一般適用挖掘臂安裝銑刨頭進(jìn)行銑刨，圖1為某隧道液壓挖掘機(jī)。

1.2 理論分析計(jì)算

對(duì)挖掘臂從挖掘力、挖掘阻力、理論值等維度進(jìn)行理論計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)挖掘臂鉸點(diǎn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確定各位置油缸和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)輸入。

鏟斗挖掘時(shí)，土壤切削阻力隨挖掘深度改變而明顯變化。切削阻力的切向分力：

式中：E——土壤硬度的系數(shù)，一般E=90～150;取E=120;

L——轉(zhuǎn)斗切削半徑;

——挖掘過程中鏟斗總轉(zhuǎn)角;

——鏟斗的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角;

B——切削刃寬度影響系數(shù);

A——切削角變化影響系數(shù)，取A=1.3;

Z——帶有斗齒的系數(shù)，Z=0.75（無斗齒時(shí)，Z=1）;有斗齒，取Z=0.75;

X——斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)，X=1+0.03s，其中s為側(cè)壁厚度，單位為cm，初步設(shè)計(jì)時(shí)可取X=1.15;

S——切削刃擠壓土壤的力;

取典型幾組值列表計(jì)算鏟斗挖掘阻力W。所得數(shù)據(jù)見表1。

二、挖掘臂仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1挖掘臂動(dòng)態(tài)分析

利用Creo進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真，保證開挖力的基礎(chǔ)上油缸不產(chǎn)生溢流現(xiàn)象且動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、回轉(zhuǎn)中臂油缸、鏟斗油缸在復(fù)合動(dòng)作時(shí)不出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.2挖掘臂模態(tài)分析

挖掘臂剛度由油缸桿、油缸體及液壓液柱等部件等效為多個(gè)彈簧串聯(lián)后計(jì)算獲得。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)挖掘臂一階和二階模態(tài)頻率大于1.8Hz時(shí)，能夠滿足使用要求。

2.3挖掘臂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)鏟斗油缸、回轉(zhuǎn)中臂油缸、斗桿油缸、動(dòng)臂俯仰油缸、動(dòng)臂油缸的大腔、小腔和位移的數(shù)據(jù);車體傾斜角度、鏟斗下壓壓力、結(jié)構(gòu)件應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證挖掘臂的設(shè)計(jì)有效性。

三、總結(jié)

本文從挖掘機(jī)隧道工況應(yīng)用需求出發(fā)，給出液壓挖掘機(jī)挖掘臂的正向設(shè)計(jì)流程與方法（具體流程如圖3示），包括對(duì)挖掘臂的需求分析、鉸點(diǎn)設(shè)定、Creo骨架建立、動(dòng)態(tài)分析、模態(tài)分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等內(nèi)容。理論計(jì)算、建模分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果誤差值在2%以內(nèi)，表明方法有效。

圖3：隧道挖掘機(jī)挖掘臂設(shè)計(jì)流程與方法

參考文獻(xiàn)

[1] 單斗液壓挖掘機(jī)[M]. 中國建筑工業(yè)出版社，同濟(jì)大學(xué) 主編，1986.

作者簡介：袁泉（1985-02-），男，工程師，工學(xué)碩士，主要從事工程機(jī)械、研發(fā)管理、知識(shí)產(chǎn)權(quán)工作。