铣挖机铣挖头设计与优化研究

摘要

铣挖机作为一种新型的工程机械设备，可安装在任何类型的液压挖掘机上，高效替代挖斗、破碎锤、液压剪等通用配置，应用于隧道掘进及轮廓修正、渠道沟槽铣掘、建筑物拆除、沥青混凝土路面铣刨、岩石冻土铣挖、树根铣削等多个领域。现代工程项目与日俱增，现代化的工程机械设备需求量巨大，铣挖机在这样的时代背景下得到了广泛应用。然而，目前国内使用的铣挖机基本均为德国生产的艾卡特铣挖机，国内尚无与其功能及性能相似和匹配的同类产品。
　　 铣挖机主要由液压马达、传动系统和铣挖头组成。铣挖头作为执行部件，是铣挖机最重要的组成部分之一。铣挖头的结构主要包括铣挖毂、铣挖刀和铣挖刀座三部分，其中铣挖刀是直接参与铣挖物料的部分，其布局及结构参数直接影响到铣挖机的运动和动力学性能，因而成为铣挖头设计的关键和重点内容；同时，由于铣挖工艺的复杂性，这部分设计也是铣挖头设计的难点。本论文以德国艾卡特ER-1500型铣挖机铣挖头为研究蓝本，基于对其初步测绘所获得的原始数据，首先从理论上对铣挖刀的布局进行了研究和设计；进而采用动力学仿真技术，系统地分析了铣挖机的工作性能，最后对切削角、刀尖轴向间距等关键几何参数进行了优化，进一步的仿真结果表明，铣挖头工作性能得到了较明显改善。
　　 本文的主要研究工作和相关成果如下。
　　 (1)铣挖头结构复杂，影响铣挖刀安装布置参数众多，各参数间又相互影响、相互关联，各参数取值直接影响到铣挖机的各项工作指标。通过查阅大量文献，确定了各参数的作用，以及各参数间的关系。目前对类似铣挖头结构的截割头的研究中，只指出了各参数的作用以及它们之间的关系，但并没有将这些参数统一到一个数学模型中，这就给铣挖头的参数化建模造成障碍。为了使铣挖头的参数化建模得以实现，本论文从各参数的空间意义出发，通过空间坐标变换的方式，将其统一到一个数学模型中，为铣挖头的结构设计奠定了理论基础。通过调整数学模型中参数，能够设计出满足设计要求的铣挖头。通过参数计算，能够确定铣挖刀排列和空间安装的安装基准点，为铣挖头三维建模提供了新的方法。
　　 (2)由于铣挖机铣挖对象的特殊性，铣挖刀消耗量大、铣挖效率低已成为隧道、路面、矿山施工过程中的突出问题。这也是国内外从事铣挖机研究与设计人员所面临的一大难题。在众多影响铣挖机工作效率的结构参数中，切削角的影响尤为突出。分析铣挖机铣刀的载荷、不同切削角时铣刀与刀座的受力情况与应力分布，对于研究铣挖机工作时铣刀的失效原因与破坏机理、改进铣挖刀和刀座的设计、提高其使用寿命和工作可靠性、解决铣挖机的铣挖效率低的问题等都具有重要意义。通过计算铣挖刀铣挖岩石时的受力，确定了不同切削角和不同横切速度下铣挖刀的受力值；采用Pro/E建立铣挖刀和铣挖刀刀座的模型，并导入Pro/Mechanica中，分析了不同切削角和不同横切速度下，铣挖刀所受应力情况。通过对结果的细致分析，选取了铣挖刀最优切削角，为铣挖头的设计打下了基础。
　　 (3)铣挖头三维模型的建立是铣挖头动力学仿真的关键一步。Pro/E软件能够方便的建立复杂的三维模型。本论文选择Pro/E wildfire5.0为建模工具，在该软件中建立了铣挖头各零件的三维模型并实现了总体装配。首先，分别建立铣挖刀、铣挖刀刀座和铣挖毂的三维模型，再根据铣挖刀的排列参数和空间安装参数，计算出铣挖刀及刀座的安装基准点坐标，然后将基准点坐标导入Pro/E建立铣挖刀和铣挖刀刀座的安装基准，最后将铣挖刀、铣挖刀刀座和铣挖毂的三维模型导入并装配，完成铣挖头的三维模型。铣挖头的三维建模按照传统建模方式会很复杂并容易出错，本文提出的基准点装配方式能大大提高建模效率，同时对模型修改容易，只需改变安装基准点的坐标就能完成对铣挖头的修改。
　　 (4)为分析铣挖机的工作性能，本文对铣挖机铣挖岩石的工作过程进行了动态仿真。首先将铣挖头三维模型导入到hypermesh中，并与其中所建立的岩石模型进行合并，分别构建了铣挖头钻进铣挖和横向铣挖两种工况的三维模型。进一步通过对模型的网格划分、关键参数设置、约束及边界定义、求解设置等，导出了适于LS_DYNA运算的K文件。将K文件导入ANSYS/LS_DYNA10.0中进行运算求解，得到了两种工况下铣挖刀的受力图。
　　 (5)动态仿真分析的结果分析表明，各铣挖刀工作中所受合外力存在较大差异，这将直接导致铣挖头工作时振动增大，铣挖刀所受冲击载荷加大。为此，本文进一步对影响外力的关键参数——铣挖刀刀尖轴向间距进行了研究，得到了更合理的刀尖轴向间距值。进一步对调整后的铣挖头进行动态仿真分析，结果表明调整后的各铣挖刀受力差异性明显下降，铣挖头整体受力也下降了，这说明通过调整铣挖刀刀尖轴向间距使铣挖刀和铣挖头受力更合理的方法是有效的，从而为后续研究中铣挖刀参数的进一步整体优化奠定了基础。
　　 本文从理论模型、三维实体构建、动力学仿真、结构优化等方面对铣挖机铣挖头的结构设计、性能分析及优化等进行了较系统的研究，研究方法及结果不仅对铣挖机的设计具有一定的理论意义，而且对铣挖机的国产化具有较好的工程应用价值。