大型矿用挖掘机铲斗结构优化设计

摘要

大型矿用挖掘机是露天矿山开采系统的核心装备，其综合性能直接决定着整个矿山的开采效率、安全性和节能性。挖掘机的工作过程实际上就是挖掘机的铲斗部分与被挖掘物料间相互作用的过程，铲斗的结构及状态直接影响到挖掘机整机所受的载荷。目前铲斗存在着阻力大、冲击大、满斗率低等问题，大大的限制了挖掘机的工作效率。所以对铲斗的结构参数进行分析及优化是十分必要的。 工作过程中载荷谱的获取及预测一直是挖掘机优化的重点和难点，然而大型矿用挖掘机由于其尺寸巨大、停机成本高、传感器安装困难等问题，导致真实的挖掘阻力数据难以采集。因此，本文利用离散单元法对挖掘过程仿真以获取载荷谱，并通过代理模型和遗传算法对铲斗的结构参数进行优化。主要研究工作如下： 探究了离散元仿真中物料的物理性质对挖掘阻力和挖掘质量的影响。本文基于固定的挖掘轨迹与初始位置，构建了铲斗挖掘过程的离散元仿真模型，并通过将挖掘阻力转换成挖掘能耗，直观地反映了颗粒尺寸对仿真结果稳定性的影响及颗粒密度、剪切模量、恢复系数、摩擦系数和表面能对挖掘阻力的影响。研究表明，减小颗粒尺寸和物料剪切模量可以有效地增加仿真稳定性和效率。根据这一结果，本文改进了原有的离散元仿真模型，并由载荷谱逆向推导出物料参数，在保证仿真结果准确的同时减少了结果的离散性，大大提升了仿真的效率。 运用代理模型技术及遗传算法对挖掘机铲斗的结构参数进行了优化。使用拉丁超立方试验设计方法获取训练点和检验点并结合离散元仿真构建了代理模型，根据决定系数、均方根差和最大绝对误差评定模型精度后，将精度最高的模型代入到遗传算法中进行优化。优化后的铲斗结构模型相较于原模型，挖掘质量提升了22.75%，单位有效挖掘质量能耗降低了13.88%，提高了挖掘机的工作效率，节省了运行成本。 最后通过Sobol方法得到了各个设计变量的全局敏感度，获得了敏感因素对优化目标的影响程度。最终确定了铲斗斗体倾角对挖掘阻力和挖掘质量影响最大。

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摘 要

Abstract

1. 绪 论

1.1 大型矿用挖掘机概述

1.2 大型矿用挖掘机的国内外研究现状

1.2.1 挖掘阻力的研究现状

1.2.2 铲斗设计的研究现状

1.3 研究意义及研究内容

2. 大型矿用挖掘机前端工作装置结构及运动分析

2.1 前端工作装置的组成

2.2 前端工作装置工作机理

2.2.1 工作流程

2.2.2 前端工作机构解耦

2.2.3 前端工作装置机构简化及轨迹分析

2.3 前端工作装置运动学分析

2.4 本章小结

3. 铲斗的参数化设计及离散元接触模型分析

3.1 铲斗的参数化设计

3.1.1 铲斗的结构

3.1.2 铲斗模型的简化

3.1.3 参数化模型的建立

3.2 离散元模型的基本理论

3.2.1 离散元法的基本概念

3.2.2 离散元法的接触模型

3.2.3 EDEM软件的介绍

3.3 本章小结

4. 基于离散元法的挖掘载荷谱分析及仿真模型的改进

4.1 离散元仿真模型的建立

4.1.1 前端工作装置模型的简化及导入

4.1.2 待挖掘物料模型的建立

4.1.3 载荷谱的提取与分析

4.2 物料参数对仿真的影响

4.2.1 颗粒尺寸对仿真的影响

4.2.2 颗粒形状对仿真的影响

4.2.3 颗粒密度对仿真的影响

4.2.4 摩擦系数对仿真的影响

4.2.5 JKR模型表面能对仿真的影响

4.2.6 剪切模量对仿真的影响

4.2.7 恢复系数对仿真的影响

4.2.8 物料参数设置的改进

4.3 本章小结

5. 基于代理模型的铲斗结构优化

5.1 铲斗结构优化数学模型的建立

5.1.1 简化铲斗模型的合理性分析

5.1.2 确定优化目标函数

5.1.3 设计变量及取值范围的确定

5.1.4 约束条件的确定

5.2 代理模型技术

5.2.1 试验设计方法

5.2.2 代理模型的类型

5.2.3 代理模型的精度及评价方法

5.2.4 代理模型的构建

5.3 基于遗传算法的铲斗结构优化

5.4 结果分析

5.4.1 优化结果分析

5.4.2 敏感度分析

5.5 本章小结

结 论

参 考 文 献

附录A 论文中主要MATLAB程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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