液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置仿真設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD+PROE+仿真】
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采礦作業(yè)的機(jī)械化及自動(dòng)化
采石挖掘機(jī)工作裝置的模型
E. V. Gaisler, A. P. Mattis, E. A. Mochalov,and S. V. Shishaev
我們用由安裝在一面墻上的沖級(jí)快驅(qū)動(dòng)裝有刀片的桶開(kāi)發(fā)出了一個(gè)露天礦場(chǎng)使用的挖掘機(jī)數(shù)學(xué)模型。
鏟斗操作如下:當(dāng)鏟斗與巖石表面接觸時(shí),它被破壞的力大于鏟齒所受的總摩擦力和驅(qū)動(dòng)裝置給于它的驅(qū)動(dòng)力,使沖擊塊帶有動(dòng)能。沖擊塊的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致鏟齒鏟入巖石中,并在巖石表面形成深深的痕跡。減小位于鏟齒下方的受力面積,于是就形成了所謂的“破壞結(jié)合區(qū)”。破壞這個(gè)區(qū)所需要的力比破壞完整的塊要小的多
利用這些活動(dòng)的塊,巖石將可以在不利用preloosening的情況下被挖掘
描述鏟斗開(kāi)挖過(guò)程中的主要參數(shù)包括巖石的力學(xué)性能,外力影響下各力學(xué)屬性的變化,驅(qū)動(dòng)裝置的工作特性和設(shè)備的參數(shù),在挖掘過(guò)程中產(chǎn)生的兩種破壞方式:切割和沖擊破壞
作用在各鏟齒表面的幾何方向上的力表現(xiàn)在挖入過(guò)程中的阻力,映射在沖擊塊軸向的力的總和為P1。垂直軸方向的力的總和為P2.垂直于鏟齒運(yùn)動(dòng)方向上的 力的中和為零。因?yàn)閴毫咽菈K的主要破壞方式。
以下是為了描述鏟斗運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型的設(shè)想:
--鏟斗內(nèi)巖石的重心和鏟斗的重心是相對(duì)固定的
--鏟齒是連續(xù)分開(kāi)排列的
--各鏟齒的負(fù)載相等的
--鏟齒切入巖石的瞬間沖擊
--鏟斗內(nèi)部物體的阻力忽略
--相對(duì)于動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)軸的瞬間摩擦力忽略
通過(guò)以上假設(shè),鏟斗的運(yùn)動(dòng)就可以用在外力作用下的二維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)表示,它包括壓力裝置的驅(qū)動(dòng)力和提升裝置的產(chǎn)生的力,重力和巖石表面產(chǎn)生的阻力。任一時(shí)間段斗的位置由坐標(biāo)r(t)來(lái)定義,距離(oc)和~(t)--斗桿與boom之間的角度,該裝置的動(dòng)力由" = ('~ + m") ~,-~ + JT' (1)來(lái)表示。其中m1表示巖石和鏟斗的重量,m2表示斗桿和空鏟斗的質(zhì)量,J表示鏟斗加巖石和斗桿相對(duì)于其旋轉(zhuǎn)軸的瞬間慣性。
Y = ml (r ~ + lCBii)+ J~ + mi((r-- rl) 2 + IGA]~), (2)
其中J1是指空斗與斗桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,r-r1是空斗重心與斗桿重心的在坐標(biāo)內(nèi)的距離。
在鏟斗中的巖石的質(zhì)量m取決于鏟斗前沿的運(yùn)動(dòng)路線和巖石表面的初始形狀。為了寫(xiě)出一個(gè)表示巖石質(zhì)量增長(zhǎng)率的表達(dá)式。我們將考慮使用圖2中的方案,入股鏟斗前沿在時(shí)間t內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路線用曲線 f2 (r2,~ 2)來(lái)表示,巖石的初始形狀用曲線 f3 》 (r3,~ 3)表示,r2, ~, r3, ~3是在零點(diǎn)位置的極坐標(biāo),在時(shí)間t內(nèi),鏟斗前沿走過(guò)了ICDI的閉合路線:在這種情況下,當(dāng)d~ 2 = d~ 3在時(shí)間t內(nèi)質(zhì)量的增長(zhǎng)則有dm1=1/2pb(∣OC∣·∣OD∣-∣OA∣·∣OB∣)sindα來(lái)決定。
dm~ = T ~,B (I OC l" I OD I --I OA [. I OB I) sin da 2,其中o是巖石的密度,B是鏟斗邊緣的寬度。我們從簡(jiǎn)圖中可以看出:loci = r~, ION{ = r= § dr~, IOAI = r~, IOBI = r~ § dr3.考慮到sin da~ ~ da 2和忽略面積的微小變量,我們寫(xiě)出以下公式:
增量da2等于斗臂在時(shí)間t內(nèi)的角速度和時(shí)間增量t的乘積。i.e., d~ 2 = da 3 = &dt.,于是質(zhì)量的增長(zhǎng)率則由………….3
表達(dá)出來(lái)了。單位時(shí)間t內(nèi)陷入鏟斗中的巖石質(zhì)量則由表達(dá),這里面的m1只是時(shí)間t的一個(gè)函數(shù)。
利用一個(gè)質(zhì)量變化動(dòng)力學(xué)的基本方程式,我們可以證明拉格朗日方程式是適合關(guān)聯(lián)重心的絕對(duì)速度等于零的變量點(diǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的。
考慮到一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包含n個(gè)由以速度vi運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量為m1,m2……的材料的重心。
拉格朗日方程式中的m1=在[2, p. 340]中衍生出的常數(shù)??紤]到m i = mi(t)的情況,在下述的[2]中,我們引入廣義的坐標(biāo) q,于是。
其中ri是質(zhì)心的位置向量,于是
其中qj是廣義速度,在任何時(shí)間的機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)能由表示
我們發(fā)現(xiàn)關(guān)于整個(gè)坐標(biāo)的動(dòng)能的偏導(dǎo)數(shù)qj廣義速度.qj:
我們區(qū)分這相對(duì)于時(shí)間的表達(dá)式
考慮到第一數(shù)據(jù),考慮到動(dòng)態(tài)變量的基本方程-相關(guān)聯(lián)塊質(zhì)心的絕對(duì)速度為零[2, p. 143]
其中P是作用于點(diǎn)而產(chǎn)生的力,通過(guò)材料的變量,我們得出
其中R是適用于its點(diǎn)的反作用力,于是得出
第二數(shù)據(jù)是,實(shí)際上,8T/Sqj [2, p. 342]。我們得出:
對(duì)于具有固定的完美約束系統(tǒng)QjR = 0
它是包含變量的機(jī)械系統(tǒng)的拉格朗日方程—相關(guān)聯(lián)塊的絕對(duì)速度為零的假想質(zhì)心,這等同于派生恒體積的材質(zhì)分屬于機(jī)械系統(tǒng)的拉格朗日方程這一機(jī)制的拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程
其中Q1,Q2是作用于替代的和,如下:
圖1活動(dòng)斗挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)方案
圖2鏟斗內(nèi)巖石質(zhì)量增量的計(jì)算
其中是F1和F2兩個(gè)力之間的角度—由驅(qū)動(dòng)器和升降機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力
挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和提升裝置的參數(shù)確定了瞬間作用在電機(jī)軸和其轉(zhuǎn)速的關(guān)系。所以
f1(~) 和 f2(~, &)的函數(shù)組成取決于驅(qū)動(dòng)器的特性和壓力機(jī)制與提升機(jī)制間的傳動(dòng)比。Ql 和Q2的表達(dá)式包括力 Pl 和 P2。他們是挖掘阻力的組成,他們可以利用數(shù)學(xué)模型來(lái)估算--澤萊寧、 韋特羅夫,巴洛夫涅夫和費(fèi)德羅三世等的邏輯模型。通常,挖掘阻力取決于土層的物理性質(zhì),鏟齒的幾何形狀,挖掘角度和剪切層的密度,我們應(yīng)該考慮到最后兩個(gè)參數(shù)必須絕對(duì)的取決于時(shí)間:
計(jì)算出動(dòng)能的導(dǎo)數(shù)之后,將他們代入拉格朗日方程式內(nèi),我們得出:
其中Q1和Q2已在方程式6中定義。該機(jī)制的運(yùn)動(dòng)可由方程式8表達(dá)出來(lái)。這些方程式的初始條件為:
表一:特別的破壞能量
地面
溫度.t /°C
含水率
斗桿能量
特別破壞的能量
E01*1/100KW·H/m3
參考
砂
_4_25
16_23
1.5
0.0970_0.3038
[6]
壤土砂
_4_25
11_21
1.5
0.0803_0.4141
[6]
壤土粘土
_4_25
16_40
1.5
0.1807_0.3521
[6]
粘土
_4_25
18_31
1.5
0.2991_0.4015
[6]
壤土粘土
_7
_
1.3
0.2048
*
壤土砂
_7
_
1.3
0.1026
*
壤土砂
_7_15
15_18
2.2
0.1357_0.1979
[7]
煤
_
_
6.0_7.0
0.1700_0.1704
[8]
--------來(lái)自采礦協(xié)會(huì),西伯利亞分院,蘇聯(lián)科學(xué)研究院的研究資料。
在巖壁的工作中,有三種主要的操作模式:1.在完整的巖床上切割,2.沖擊和移動(dòng)鏟斗以鏟齒侵入一定的深度,3.切割干擾結(jié)合區(qū)域。
等式2-8及初始條件9組成一個(gè)數(shù)學(xué)模型用來(lái)描述在切割的挖掘方式的工作過(guò)程。
我們將描述在操作模式2中鏟斗的運(yùn)動(dòng),在時(shí)間t1間從模式1到模式2的狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是
其中u是摩擦系數(shù)。這個(gè)行程是在時(shí)間t2=t1+T1+T2中完成的。T1是裝置的啟動(dòng)時(shí)間,T2沖擊的循環(huán)時(shí)間,當(dāng)產(chǎn)生沖擊的時(shí)候,鏟齒鏟入巖石內(nèi)部的一段長(zhǎng)度為巖石的一個(gè)性質(zhì)函數(shù),鏟齒的幾何形狀,和沖擊能量?,F(xiàn)場(chǎng)研究和在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量在沖擊時(shí)鏟齒的鏟入情況,由采礦研究院,工程機(jī)械研究院,Skochinski研究院和卡拉干達(dá)理工學(xué)院【4-6】進(jìn)行指導(dǎo),建議用巖床被壓裂的特殊情況來(lái)評(píng)估壓裂效果的某些特征。對(duì)于壓裂的能量單位這種特征可以利用和衡量每單位巖床的能量e.g.。巖石的最終抗壓強(qiáng)度,i.e.。
其中A是獨(dú)立的—沖擊能量,J,K0是巖床上沖擊能量的傳遞系數(shù)。X是一次沖擊時(shí)鏟齒的穿透深度。m;F3是壓裂的橫切面積m的平方。a是巖石的最終抗壓強(qiáng)度,千牛/平方米。
E0的估算取決于巖床的機(jī)械性能和它的環(huán)境。在凍土層用對(duì)稱(chēng)的契狀工具每次沖擊的破壞能量的變化,由工程設(shè)計(jì)研究院給出的單一的沖擊密集度來(lái)確定。已在表一中給出,鏟斗的侵入深度可以用一下公式定義:
此外,E0可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)得也可以從【7-9】的報(bào)告中的數(shù)據(jù)來(lái)估算。沖擊之后,鏟斗的運(yùn)動(dòng)再次用方程式2和8來(lái)表達(dá)。但是由于條件
的限制,直到鏟斗前沿的運(yùn)動(dòng)距離X。
圖3
斗桿的旋轉(zhuǎn)角度相對(duì)時(shí)間的坐標(biāo)系(1-沖擊后不對(duì)C進(jìn)行削弱調(diào)整的挖掘,2-一次弱化的C,3-二次弱化的C,4-實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),1-3-巖石(f=5,C1=30*1000000H/平方米,。)。4-粉砂巖,【
】。
方式3中的條件轉(zhuǎn)變表示為:
………(12)
滿足條件(12)后,方式3中的切割就開(kāi)始了。
巖石的抗破壞阻力通常由非正式的表達(dá)式表達(dá):
………….(13)
其中是標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng),是內(nèi)摩擦角,C是巖石的粘合力,莫爾-可以通過(guò)函數(shù)方程式10計(jì)算的破壞載荷作用下的主應(yīng)力的庫(kù)倫準(zhǔn)則:
……………..(14)
其中是相對(duì)于應(yīng)力應(yīng)變曲線的最大主應(yīng)力。
根據(jù)和還有方程(13)(14)來(lái)表示的 和。我們獲得一個(gè)關(guān)于粘結(jié)力最終單軸抗壓強(qiáng)度的函數(shù)表達(dá)式C:
……………(15)
表達(dá)式(15)體現(xiàn)了巖石體在沖擊后主要特征粘結(jié)力的變化是降低的,巖床的結(jié)合力可由一下方程式表達(dá):
……….(16)
其中C1是一塊巖石的結(jié)合力,是巖床的削弱系數(shù)。它是一個(gè)平均塊大小的函數(shù),主要的破裂網(wǎng)絡(luò)和在方程式8中提出的挖掘方向。
沖擊之后,結(jié)合力其中λ是代表沖擊載荷作用下的巖床上附加的削弱系數(shù)。在沖擊載荷作用點(diǎn)上,巖石被壓碎,根據(jù)定理(7),λ2.在沖擊之后的的影響降至0.0005,鏟齒鏟過(guò)破壞結(jié)合區(qū)時(shí),在特定模式下它提升到的初始值(研究C=f(x)的特性是一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科)。在第一次逼近的時(shí)候,該區(qū)域的面積和結(jié)合力的大小可以通過(guò)表達(dá)式7-9估算出來(lái),鏟斗在破壞結(jié)合區(qū)的那一刻可以用表達(dá)式2-10表達(dá),加上加在C(巖石結(jié)合力)上的附加系數(shù)。隨著C的遞增,P1和P2的數(shù)值也逐漸增大,鏟斗的下一步運(yùn)動(dòng)是遵循模式1還是2,取決于是否滿足條件(10).
方程式2-8適用于所有鏟斗的運(yùn)動(dòng)模式,加上P1。,P2和C的各自參數(shù)的限制,模式的轉(zhuǎn)換取決于是否滿足條件9和10。。由等式4,6,8組成的描述挖掘機(jī)鏟斗的工作進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型,由非線性的微分方程組組成??梢宰詣?dòng)進(jìn)行選擇和能精確控制的一個(gè)改良版的莫森運(yùn)算法則被用來(lái)解決這個(gè)系統(tǒng)中的問(wèn)題。
這個(gè)模型已被互交換模式的計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序化,在解決的過(guò)程中,鏟斗的運(yùn)動(dòng)軌跡可有所選擇的升降機(jī)構(gòu)和壓力機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載特性進(jìn)行調(diào)整。i.e.。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)式:。它相當(dāng)于控制挖掘機(jī)的實(shí)際進(jìn)程。
幾個(gè)可供選擇的方案用于估算這個(gè)模型,結(jié)果在圖三中很明確的表示出來(lái)了。
在第一種情況下,壓裂完全是由沖擊載荷引起的。單一的沖擊能量是不足以創(chuàng)建“破壞結(jié)合去”的(曲線1).其他兩種情況是不同形式的的在“破壞結(jié)合區(qū)”的弱化銜接(2.一次弱化3.二次弱化)。模擬結(jié)果是:與在kemerovougol的克拉斯諾戈?duì)査箍藚^(qū)分部的粉砂巖層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)(圖三中的虛線)比較,在實(shí)際進(jìn)程與模型之間觀察到相似之處(誤差不超過(guò)30%)。最小的差異是通過(guò)在“破壞結(jié)合區(qū)”結(jié)合力的線性削弱得出的。
通過(guò)這個(gè)數(shù)學(xué)模型,我們可以調(diào)查各種不同工作進(jìn)程中的參數(shù),這些機(jī)構(gòu)的挖掘條件設(shè)置應(yīng)滿足不同的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)和挖掘目標(biāo)。
參考資料
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