关于机械式挖掘机设计与发展的探讨

王 凯

（张家口宣化华泰矿冶机械有限公司，河北张家口 075100）

0 引言

一般来说，在露天矿作业过程中，需要使用到机械式挖掘机设备，其中运用到诸多技术。露天矿山开采规模的日益增大，加快了相关采矿技术与设备的研发速度。凭借着耐冲击、耐疲劳等众多优势，使其受到了很大的关注与重视，并且被运用到矿山的开采与建设工作当中。通过科学利用先进的机械式挖掘机设备，一方面提升了相应的劳动生产工作效率，另一方面也严格控制生产工作的成本。这种机械设备的应用范围进一步扩大，朝着自动化、智能化的方向发展，同时也方便后续维修与保养工作的顺利进行，延长其使用年限，凸显出一定的功效和作用。

为了发挥出其良好的作用，需要科学设计机械式挖掘机，同时分析与其关联的相关问题，达到增强运用效果的目的。

1 机械式挖掘机发展的状况

对于挖掘机设备，从出现至今经历了漫长的发展阶段。在此过程当中，机械式挖掘机的行走系统由最初的铁道轨轮改进到当前的履带式，由此构成了四轮一带。在电出现以后，促使发电机组得以出现，由从前的单发电机组驱动朝着多电机驱动方向发展，以多交流变频电动机驱动为主，从单机传动朝着多机传动的方向进行转变，实现了高效化的管控效果，体现出不断健全的特征[1]。从结构角度来看，目前以焊接结构为主，表明焊接工艺发展的速度非常快，得到了广泛推广和宣传。在科学运用之后，一方面，达到了控制成本的效果，减少了进行制造需要的周期；另一方面，在科学利用相关材料力学与结构力学方面计算知识的同时，采用有限元计算方法，确保了计算的精准性。此外，从设计角度来看，现阶段依然主要依靠经验进行，主要应用类比与相似设计等方式。基于绘图的视角下，不再运用图板，而借助计算机绘图的方法，减少了具体的设计周期[2]。

2 机械式挖掘机设计发展的方向说明

2.1 设计原理探究

2.1.1 紧密结合采矿需要进行科学设计

针对不同的尺寸，如最大的挖掘半径、高度、卸载半径等数值，在明确之后应该密切联系相关采矿技术，确保设计方案达到采矿的需要，进而明确具体的工作尺寸[3]。

2.1.2 相关结构件设计原理的分析

（1）铲斗和挖掘对象以直接接触，斗形是否准确关系到相应的挖掘阻力。在参考外国一些成功的经验之后，能明确斗形设计，并科学分析其强度与刚度情况，然后不断改进和优化处理。当前，我国在斗形方面的研究非常少，需要积极进行探究。

（2）在铲斗、斗杆方面，由于动臂的受力状态为相应的压弯实腹型构件，依据有关力学知识，基于静动强度、刚度视角下，可以运用精确解方法有效明确动臂相关结构。一般情况下斗杆受力状态通常是压、弯等构件。

（3）不断改进和完善相关工作设备。此设备包括了铲斗、斗杆与动臂。从动力方面而言，主要依靠相关提升系统与推压系统一起进行挖掘处理，获得良好的挖掘效果。在此过程中，需要基于挖掘视角，科学设计，并且根据具体的挖掘过程，科学改进和优化挖掘的轨迹，将动臂的几何尺寸作为主要的改进对象，有利于明确挖掘后角与相关几何参数。不过在目标参数的明确与改进方面，则需要进一步优化。由于此过程主要处理多目标函数方面的问题，缺少统一化的量纲，可以运用更加先进的方式优化。

（4）在结构件计算工况的选用方面，以不同的结构件作为主要对象明确具体的计算工况。当前，部分工况在选用上需要进一步分析，另外一些工况本身并不存在，无法当成计算工况的有效参考。例如，当铲斗处于最高的位置进行挑大块，初期挖掘时与大块岩石相接触，容易发生斗尖被卡的现象，需要根据有关生产技术来确保计算工况的科学性，有效规避相关结构件设计太过强壮和功能过剩的问题。

2.2 相关挖掘理论分析

结合相关挖掘理论知识，以挖掘阻力的明确为主，并作为提升与推压电机功率的参考。实际上，以直接测试的形式进行阻力的挖掘存在着很大的难度，仅可以对推压力与提升力进行检测，同时对斗尖的部位进行准确记录，然后依靠科学计算，间接获取挖掘阻力，不过存在着一定的误差。参考太重测试的状况，整个测试的过程十分复杂，同时需要巨大的物资与资源。

可以借助测试推压的方式，达到提高电机功率与推压速度的目的，同时准确记录具体的齿尖部位，针对相同的样机挖掘不一样的矿石来说，应该尽可能对众多样本进行测试，同时及时加以统计与整合。对于不一样的样机挖掘相同的矿石来说，需要提高推压的功率，科学分析所获取的相关数据，进而得到功率和斗容量、工作尺寸相应的数学模型。通过数次验证之后，能够获取合理值，将其运用到设计过程当中。实现对测试工作的精简处理，避免干扰到正常的生产工作，便于进行落实。

2.3 大型化的发展势态

随着很多技术的运用，未来所使用到的机械设备日趋大型化，一方面能够增加经济收益，另一方面也满足了相关工艺的需求。挖掘机也呈现出从小到大的特征，目前最大的斗容是56 m3。在未来，机械式挖掘机的大型化将成为必然。

3 机械式挖掘机的设计方式

3.1 依据科学发展观的设计方式

（1）合理运用创新设计方法。通过重视创新设计方法的科学利用，充分参考相关创新理论知识、技术，逐渐形成科学的创新思维方式，发挥出逻辑思维、形象思维各自的功效，进一步增强设计工作者的创新能力。

（2）科学应用绿色设计方法。例如，对于有些机械设备，噪声消除、拆装设计等工作采用绿色设计方法，可以获得良好的效果。

3.2 以确保产品质量作为目的的综合设计方式

根据产品的质量当作宗旨，科学运用综合设计方式，以最大限度满足广大用户在产品性能方面的需要，紧密参考不同用户的需求情况，科学进行设计。挖掘机性能参数主要有结构、工作以及工艺等，以满足相关要求。

3.2.1 功能、动态等相关设计的改进

挖掘机的结构，运用拓扑优化的方法，处理强度方面的难题，制定出科学的设计方案。当满足相关设计规定的同时，构建针对挖掘机的计算机辅助软件，完成了数字化设计工作的任务，最终明确了相关功能参数[4]。

3.2.2 有关大型设备稳定性的分析

由于挖掘机的运行情况与静力强度无关，主要是疲劳强度密切相关，所以应该深入探究与分析疲劳强度。在计算大型焊接结构件疲劳的过程中，由于经验欠缺，需要进行测试，构成相应的应力载荷谱，有助于落实相关工作。

3.2.3 挖掘机的平衡性、稳定性分析

对于挖掘机设备平衡性、稳定性方面的分析，针对的为科学布设平台当中全部的设备、支撑铰，确保平衡重的科学性。同时紧密结合具体的状况，经过分析以后获得适合的计算方式，再加以有效运用。

3.2.4 相关结构动态设计分析

受挖掘机设备逐渐数字化、大型化发展趋势的影响，挖掘机结构的动态特征得到很大关注。但是设备的振动会给相应的操控效果、结构疲劳等带来不良影响，所以应该重视该项工作，着重分析与探究起升机构，运动机构在制动时候的相关动态激励情况，带给有关结构件的实际影响。

3.3 基于系统统计动力学理论的设计方式

挖掘机的工作具备随机的特征，所以之前运用的明确量、最大挖掘力设计的方式存在一定缺陷。为此，设计工作的开展需要达到设计最大限度的相关规定。通过紧密结合现场所测试的数据信息，将其当成设计的依据，将确保挖掘机质量当成宗旨。现在此项工作并没有取得较大进展，较为困难的环节为有关数据信息采集（包含很多数据），整个过程不仅非常枯燥、费时，而且耗费了更多的资源，所以可以根据相关黑匣子理论方法，准确记录整个挖掘机运行的情况，然后及时统计和整理相关数据，以增强设计工作的能力。

4 结束语

综上所述，露天矿开采和建设工作，需要科学运用机械式挖掘机设备。挖掘机是常见的机械设备，在科学技术不断进步的推动下，机械式挖掘机的设计水平得以提升。基于满足实际工作需求的目的，有关设计人员应该根据我国相关部门所颁布的规定，结合实践工作经验以及其在使用中存在的问题，编制出科学、可行的方案，设计出来更具有市场竞争力的产品。