隧道液压挖掘机挖掘臂设计方法研究

袁泉 耿家文

摘 要：本文通过对隧道施工工法分析，定义隧道液压挖掘机挖掘臂的典型作业工况，根据各工况下载荷谱数据的采集分析，设定铲斗挖掘力;根据隧道空间作业设定合理的动臂、斗杆尺寸及相应的铰点位置，再基于Creo骨架模型完成挖掘臂的仿真分析并进行实验验证，总结出一套特殊工况下挖掘机工作装置的设计流程与方法。

关键词：隧道液压挖掘机;挖掘臂;挖掘力

引 言

隧道液压挖掘机因其多工矿适用性，广泛应用于矿山/铁路等隧道施工场合。徐工于2016年完成隧道挖掘机设计开发并推向市场，其狭小空间作业能力及挖掘效率优势突出。

一、隧道液压挖掘机挖掘臂方案设计

隧道施工中，挖掘臂主要承担对掌子面石层土层的破碎剥离等工作。针对不同的巷道挖掘臂要完成的挖掘工况和范围也不尽相同，本文以典型巷道为例论述隧道液压挖掘臂的研究设计方法。

1.1隧道液压挖掘机挖掘臂工况分析

正确的载荷谱输入是设计高可靠、高效率隧道液压挖掘机挖掘臂的关键。根据隧道施工工艺的不同，在开挖环节需要顺序完成掌子面上方岩石层的破碎挖掘、全掌子面的断面修整、掌子面各沟槽的破碎开挖、顶部拱架位置开挖支护等。因顶部拱架为向上内沟槽，一般适用挖掘臂安装铣刨头进行铣刨，图1为某隧道液压挖掘机。

1.2 理论分析计算

对挖掘臂从挖掘力、挖掘阻力、理论值等维度进行理论计算，以实现挖掘臂铰点及结构设计，以确定各位置油缸和液压系统设计设计输入。

铲斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而明显变化。切削阻力的切向分力：

式中：E——土壤硬度的系数，一般E=90～150;取E=120;

L——转斗切削半径;

——挖掘过程中铲斗总转角;

——铲斗的瞬时转角;

B——切削刃宽度影响系数;

A——切削角变化影响系数，取A=1.3;

Z——带有斗齿的系数，Z=0.75（无斗齿时，Z=1）;有斗齿，取Z=0.75;

X——斗侧壁厚度影响系数，X=1+0.03s，其中s为侧壁厚度，单位为cm，初步设计时可取X=1.15;

S——切削刃挤压土壤的力;

取典型几组值列表计算铲斗挖掘阻力W。所得数据见表1。

二、挖掘臂仿真分析及实验验证

2.1挖掘臂动态分析

利用Creo进行运动学及动力学仿真，保证开挖力的基础上油缸不产生溢流现象且动臂油缸、斗杆油缸、回转中臂油缸、铲斗油缸在复合动作时不出现失稳现象。

2.2挖掘臂模态分析

挖掘臂刚度由油缸杆、油缸体及液压液柱等部件等效为多个弹簧串联后计算获得。根据設计经验，当挖掘臂一阶和二阶模态频率大于1.8Hz时，能够满足使用要求。

2.3挖掘臂实验验证

对铲斗油缸、回转中臂油缸、斗杆油缸、动臂俯仰油缸、动臂油缸的大腔、小腔和位移的数据;车体倾斜角度、铲斗下压压力、结构件应变进行测试以验证挖掘臂的设计有效性。

三、总结

本文从挖掘机隧道工况应用需求出发，给出液压挖掘机挖掘臂的正向设计流程与方法（具体流程如图3示），包括对挖掘臂的需求分析、铰点设定、Creo骨架建立、动态分析、模态分析、实验验证等内容。理论计算、建模分析和实验验证结果误差值在2%以内，表明方法有效。

图3：隧道挖掘机挖掘臂设计流程与方法

参考文献

[1] 单斗液压挖掘机[M]. 中国建筑工业出版社，同济大学 主编，1986.

作者简介：袁泉（1985-02-），男，工程师，工学硕士，主要从事工程机械、研发管理、知识产权工作。