摘要
电铲，也称机械式挖掘机，具有工作效率高、施工灵活等优点，是露天开采的重要设备。动臂是电铲工作装置的核心部件，设计时出于安全性考虑往往尺寸较大、整体结构较为笨重，因此具有很大的改进空间。我国作为资源丰富的能源及矿产大国，一直对电铲有很大需求，因此对电铲动臂的研究及改进具有非常重要的现实意义。本课题来源于东北大学和太原重工合作的横向项目，以太重集团WK20电铲动臂为研究对象，以工作性能优化和结构轻量化为出发点，对动臂结构进行综合优化设计。本文主要研究内容如下: (1)基于对数螺旋线方程推导WK20电铲挖掘轨迹数学模型，以挖掘轨迹为基础得到初始挖掘角度大小以及挖掘体积和最大挖掘厚度的数学模型。基于复数矢量法和挖掘轨迹对电铲工作装置进行机构运动学建模，得到斗杆伸出长度、铲斗提升绳长度、推压齿轮转角和天轮转角的数学模型。依据机构运动模型，推导提升绳与斗杆夹角及推压—提升速比数学模型。 (2)以动臂几何及安装尺寸为设计变量，以提升力克服阻力比系数γ、几何及安装尺寸参数之和h、提升绳与斗杆夹角αz、推压提升速比nc构建目标函数，以经验设计公式、实际运动干涉及参数浮动为约束，建立动臂工作性能优化数学模型。以自适应粒子群算法(APSO)为基础结合模拟退火算法的Metropolis准则，提出M-APSO算法，并用Rastrigin和Ackley测试函数对比PSO、APSO和M-APSO算法的性能。利用M-APSO算法对动臂性能优化模型进行计算，得到工作性能最优的动臂结构及安装参数。 (3)根据挖掘轨迹和最大挖掘厚度的数学模型以及三种典型矿堆的堆积角度，基于最大挖掘厚度处阻力最大的思路确定三种危险工况，另外根据动臂和斗杆铲斗的相对运动位置分析确定另一种思路下的危险工况。综合考虑六个轴承座受力、自重及附属件重力、推压电机重力及反力矩、天轮处受力以及横向力的作用，得到四种危险工况下动臂的受力模型。基于受力模型提出Cylindrical Support和Elastic Support组合、配合Joints-Revolute的约束方式，并在两种典型工况下进行有限元模型验证。将验证后的有限元模型应用于四种危险工况分析，得到各自的应力及变形情况。 (4)从四种危险工况中选择应力最大的作为最危险工况，基于此对动臂进行结构轻量化设计。根据拉丁超立方设计得到动臂最大应力、最大变形和重量的样本点，基于Isight软件建立代理模型。在第2代带有精英保留策略的快速非支配多目标遗传算法(NSGA2)基础上，引入混沌映射初始化及混沌细化搜索策略、自适应变异概率及多种群结构竞争策略，基于ZDT系列双目标函数测试改进后的NSGA2算法性能。采用改进NSGA2算法求解代理模型，综合考虑变形和重量对动臂进行第一阶段尺寸轻量化。采用Workbench拓扑优化模块对动臂内部筋板二次优化，再次减轻重量。轻量化后动臂重量为32113KG,相比轻量化之前减重1996KG,质量总共下降5.9％,得到工作性能最优且重量最轻的动臂结构。最后对优化后的动臂进行模态分析确保不会发生共振破坏。
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