摘要
矿用电铲（Mining electric shovel）是一种大型矿山机械装备，体积巨大，结构复杂，在露天矿的采掘作业中被普遍使用，具有作业范围广、铲斗容积大、环境适用性强等特点。在大型露天矿的开采中，矿用电铲扮演着“挖掘”与“装载”两大角色，因此其性能的优劣水平，直接决定着矿山开采速度的快慢。但是仅仅依靠电铲驾驶员的操作经验进行挖掘，使挖掘轨迹具有很大的随机性，很难保证铲斗齿尖每次都沿着合理的挖掘轨迹进行挖掘，进而导致挖掘效率低、挖掘不节能、挖掘不平稳连续等问题，有时甚至会因挖掘阻力过大，导致电机堵转，影响其正常使用寿命。另一方面，由于矿用电铲一经生产、组装完成之后，铲斗与斗杆便固结在一起，因此铲斗相对于斗杆的角度不可调节，导致工作装置灵活性不足、挖掘满斗率低等问题。 针对上述存在的问题，本文在NSFC-山西煤基低碳联合基金“矿用特大型挖掘机的智能化作业性能创成理论与高效可靠运行策略”（U1910211）的资助下，分别对矿用电铲的轨迹优化与工作装置构型优化两个方面进行了研究。在满足挖掘效率、满斗率等约束条件下，以挖掘单位质量的物料能量消耗最低为目标，对矿用电铲的齿尖挖掘轨迹进行优化，并采用 DEM-MBD 联合仿真方法，对矿用电铲的轨迹优化结果进行虚拟仿真分析。除此之外，本研究创新性的提出了一种混合电铲构型，即在矿用电铲斗杆与铲斗之间增设铲斗液压缸，可以在挖掘开始和挖掘过程中，根据挖掘需要，调整铲斗角，不仅改善了矿用电铲工作装置的灵活性，提高了挖掘满斗率，还可以较好的进行清根挖掘作业。本研究对促进矿用电铲的智能化、提高挖掘满斗率、降低能耗、改善矿用电铲工作装置的灵活性具有重要意义。本文主要研究内容如下： 1、分析研究了矿用电铲的结构组成、工作原理并绘制了其工作装置的机构运动简图。建立了以挖掘时间为自变量，由提升速度、推压速度决定的矿用电铲铲斗齿尖挖掘轨迹方程，并对矿用电铲的挖掘特性参数，工作装置的受力特点及其运动学、动力学等进行了分析。此研究为矿用电铲的轨迹优化及其工作装置的构型优化奠定了理论基础。 2、在满足挖掘作业效率、挖掘满斗率等约束条件下，以挖掘单位质量的物料消耗能量最少为目标函数，针对不同坡度角的堆积料堆进行了挖掘轨迹优化。研究结果表明：矿用电铲推压运动的位移随着堆积料堆坡度角的增大而减小。 3、为验证矿用电铲轨迹优化结果的可靠性、准确性，建立了矿用电铲的三维虚拟样机模型，并采用离散元与多体动力学联合仿真的方法，对矿用电铲的轨迹优化结果进行虚拟仿真分析。对比仿真分析挖掘轨迹曲线、挖掘质量曲线和理论挖掘轨迹曲线、理论挖掘质量曲线，发现二者高度重合；仿真分析的提升功率曲线、推压功率曲线与理论计算的提升功率曲线、推压功率曲线也具有较高的相关性。 4、通过矿用电铲在挖掘过程中的DEM-MBD联合仿真分析结果可得：矿用电铲挖掘阻力的变化情况直接影响了其提升力、推压力的变化情况，三者整体保持先增大、再减小、最后趋于平稳的变化趋势。 5、针对矿用电铲铲斗角不可调引起的工作装置灵活性不足、满斗率低等问题，对矿用电铲的工作装置进行了构型优化，创新性的提出了一种混合电铲构型，即在矿用电铲斗杆与铲斗之间增设铲斗液压缸。分析研究表明：矿用电铲工作装置新构型的提出，不仅改善了矿用电铲工作装置的灵活性，提高了挖掘满斗率，还可以较好的进行清根挖掘作业。
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