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《工程設計學報》2014年第四期

1隨機載荷模型建立

以鏟斗回轉中心和斗齒頂點為作用點，沿相互正交的切向、法向、側向依次將挖裝機的鏟取載荷分解為切向阻力Ft、法向阻力Fn、側向阻力Fext（見圖1（b））．

1.1法向阻力斗齒頂點對煤巖的正壓力Fnp與煤巖力學分布特性密切相關，煤巖的抗壓強度（分離煤巖時其單位表面所需最小力）越大，鏟取的正壓力越大．統計分析，設正壓力服從威布爾分布［8］，由此建立Fnp模型的隨機過程規律，其分布密度函數fnp（x）和分布函數rnp分別為。式中：b為鏟斗寬度；R為鏟斗鏟取半徑；h為鏟取煤巖深度；As為鏟斗內側壁面積；Kc為煤巖松散系數，取1．2～1．4；Δρ為密度變化量，煤巖被鏟取與滾出、被壓實與松散交替變化，是平穩過程，用標準正態隨機序列描述。

1.2側向阻力影響側向阻力的因素有很多，如鏟取煤巖對鏟斗內壁的撞擊、跌落，鏟斗外側進入煤巖堆的深度差異和煤巖堆塌方等，適合應用雙參數因子法［9］研究。

1.3切向阻力鏟斗鏟取煤巖過程中，被分離的煤巖崩落與未被分離的煤巖塌落不斷交替，導致斗齒載荷隨機波動，把該過程視為平穩隨機過程，其載荷是平均載荷和隨機分量的疊加．切向截割阻力一般可用瑞利分布來研究，其密度分布和分布函數分別。

2隨機載荷的模擬及結果分析

由于鏟斗鏟取速度對載荷影響較小，因此本文不考慮鏟取速度的影響．取國產某型挖裝機工作臂正向工作，在寬為3m、高為1m的巷道裝載散體煤巖，鏟取深度與時間關系如圖4所示．有關參數如下：鏟斗鏟取半徑為800mm，斗寬為600mm，臂伸長量為2．8m，鏟斗齒形為B型，散體煤巖最大抗壓強度為4．26MPa，摩擦系數為0．58～0．84，松散系數為1．2～1．4，塊度大小服從瑞利分布．根據建立的數學模型，運用Matlab求得鏟斗從接觸煤巖到鏟取完成的阻力模擬曲線（見圖5，其中圖（a）是三向阻力，圖（b）為經最小二乘法4次擬合后三向阻力隨時間變化曲線，圖（c）為由式（16）求得的鏟取載荷（三向阻力合成）），載荷統計結果如表1所示。模擬結果表明：1）三向阻力變化趨勢不同，都有不同程度的波動；側向阻力的最大值、均值和波動最小（見表1），其原因是它不在鏟取方向上，加之鏟斗兩側的受力方向相反，使合力降低．2）切向阻力呈先增大后減小趨勢：先增大是隨鏟取深度增加使鏟取煤巖增多引起的；而后略減是由鏟取過程逐漸結束，煤巖從鏟斗溢出增多所致．在0．626s（α＝39．950°）處有最大值2．9×106N，這與土方挖掘切向阻力峰值滯后不同，這是由于煤巖是離散體，推移阻力Fdq的影響小．3）開始鏟取后，法向阻力逐漸增大（見圖5（b）），在1．093s（2．5628°）處達到最大值5．7×106N（變化規律與鏟取土方阻力規律近似），此后逐漸減小．其中，從α＝20°減小至α＝0°（最大深度）的法向阻力變化小，這是由α＝20°時鏟斗頂點的搬運阻力比α＝0°時大所致．鏟取過程法向阻力最大值是切向阻力最大值的2倍，其最大波動量為5×105N．4）鏟取載荷先增大后減小，在0．835s（α＝22．628°）處有最大值（見圖5（c））．雖然此刻各向阻力并非最大，但其合力最大，且呈隨機變化．

3結論

1）利用Matlab模擬獲得某型挖裝機鏟取阻力曲線．結果表明：側向阻力最小，波動也小；法向阻力、切向阻力分別在鏟取角為2．5628°，39．950°時達到最大，且法向阻力最大值為切向阻力最大值的2倍；鏟取阻力在鏟取角為22．628°時有最大值．2）所作的研究為搞清挖裝機鏟取過程的載荷特征，進一步研究挖裝機的挖裝性能、機器工作穩定性、使用可靠性等提供了參考．

作者：李曉豁石崢嶸呂良玉吳云單位：遼寧工程技術大學機械工程學院