铣挖机铣挖头设计与优化研究

论文摘要

铣挖机作为一种新型的工程机械设备，在建筑施工、巷道掘进、矿山开采等领域得到了广泛应用。铣挖头是铣挖机的重要组成部分，在工作过程中，消耗了整机的大部分功率。铣挖头结构复杂，装配参数多，各参数间又相互关联和制约，直接影响整机的铣挖性能。因此，对铣挖头的设计优化成为本论文的主要研究内容。本论文以德国艾卡特ER-1500型铣挖机铣挖头为研究蓝本，基于对其初步测绘所获得的原始数据，首先从理论上对铣挖刀的布局进行了研究和设计；进而采用动力学仿真技术，系统地分析了铣挖机的工作性能，最后对切削角、刀尖轴向间距等关键几何参数进行了优化，进一步的仿真结果表明，铣挖头工作性能得到了较明显改善。本文的主要研究工作和相关成果如下。论文以德国艾卡特ER-1500型铣挖机铣挖头为研究蓝本，主要研究工作和相关成果如下。（1）为了使铣挖头的参数化建模得以实现，本论文从各参数的空间意义出发，通过空间坐标变换的方式，将其统一到一个数学模型中，为铣挖头的结构设计奠定了理论基础。（2）通过计算铣挖刀铣挖岩石时的受力，确定了不同切削角和不同横切速度下铣挖刀的受力值；采用Pro/E建立铣挖刀和铣挖刀刀座的模型，并导入Pro/Mechanica中，分析了不同切削角和不同横切速度下，铣挖刀所受应力情况。通过对结果的细致分析，选取了铣挖刀最优切削角，为铣挖头的设计打下了基础。（3）为分析铣挖机的工作性能，本文对铣挖机铣挖岩石的工作过程进行了动态仿真。首先将铣挖头三维模型导入到hypermesh中,并与其中所建立的岩石模型进行合并，分别构建了铣挖头钻进铣挖和横向铣挖两种工况的三维模型。进一步通过对模型的网格划分、关键参数设置、约束及边界定义、求解设置等，导出了适于LSDYNA运算的K文件。将K文件导入ANSYS/LSDYNA10.0中进行运算求解，得到了两种工况下铣挖刀的受力图。（4）本文进一步对影响外力的关键参数——铣挖刀刀尖轴向间距进行了研究，得到了更合理的刀尖轴向间距值。进一步对调整后的铣挖头进行动态仿真分析，结果表明调整后的各铣挖刀受力差异性明显下降，铣挖头整体受力也下降了，这说明通过调整铣挖刀刀尖轴向间距使铣挖刀和铣挖头受力更合理的方法是有效的，从而为后续研究中铣挖刀参数的进一步整体优化奠定了基础。本文从理论模型、三维实体构建、动力学仿真、结构优化等方面对铣挖机铣挖头的结构设计、性能分析及优化等进行了较系统的研究，研究方法及结果不仅对铣挖机的设计具有一定的理论意义，而且对铣挖机的国产化具有较好的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 铣挖机简介
• 1.1.2 国外铣挖机及技术发展概况
• 1.1.3 国内铣挖机及技术发展概况
• 1.1.4 国内其他相似工作机理工程机械研究综述
• 1.2 论文研究的目的与意义
• 1.3 论文研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 铣挖刀布局数学模型研究
• 2.1 铣挖刀和铣挖刀座空间姿态
• 2.1.1 铣挖刀安装参数
• 2.2 铣挖刀安装参数设计方法
• 2.2.1 坐标系设置
• 2.2.2 坐标变换过程
• 2.2.3 坐标变换运算
• 2.3 验算切削角
• 2.4 本章小结
• 第三章 铣挖刀最优切削角的研究
• 3.1 铣挖刀的载荷计算
• 3.2 铣挖刀切削角
• 3.3 有限元分析
• 3.3.1 铣挖刀建模及网格划分
• 3.3.2 加载和约束
• 3.3.3 求解及结果分析
• 3.3.4 小结
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于基准点坐标的铣挖头三维建模研究
• 4.1 铣挖刀排列参数的选择
• 4.2 铣挖刀空间安装参数的选择
• 4.3 铣挖刀安装基准点的计算
• 4.4 利用 Pro/E wildfire5.0 建立铣挖头三维模型
• 4.4.1 铣挖刀三维模型的建立
• 4.4.2 铣挖刀刀座三维模型的建立
• 4.4.3 铣挖毂三维模型的建立
• 4.4.4 铣挖刀和铣挖刀刀座的装配
• 4.4.5 铣挖头的装配
• 4.5 本章小结
• 第五章 铣挖头铣挖岩石动力学仿真研究
• 5.1 CAE 软件的选择
• 5.2 编写铣挖头铣挖岩石动态仿真程序
• 5.2.1 导入三维模型
• 5.2.2 划分网格
• 5.2.3 单元类型和材料参数的选择
• 5.2.4 施加岩石模型约束和边界条件
• 5.2.5 定义接触
• 5.2.6 施加铣挖头约束和初始条件
• 5.2.7 岩石破坏参数设置
• 5.2.8 求解时间设置
• 5.2.9 数值输出设置
• DYNA 运算 K 文件'>5.2.10 生成 LS_DYNA 运算 K 文件
• DYNA10.0 求解器提交运算程序'>5.3 向 ANSYS/LS_DYNA10.0 求解器提交运算程序
• 5.4 后处理
• 5.4.1 铣挖头钻进铣挖岩石动态仿真的后处理
• 5.4.2 铣挖头横向铣挖岩石动态仿真的后处理
• 5.5 铣挖刀受力分析
• 5.5.1 铣挖头钻进铣挖岩石时铣挖刀受力分析
• 5.5.2 铣挖头横向铣挖岩石时铣挖刀受力分析
• 5.5.3 小结
• 5.6 本章小结
• 第六章 铣挖头结构优化研究
• 6.1 铣挖结构优化的目标
• 6.2 铣挖头结构优化的依据
• 6.3 铣挖刀刀尖轴向间距的调整
• 6.3.1 铣挖刀刀尖轴向间距调整前
• 6.3.2 调整 A 区间铣挖刀刀尖轴向间距
• 6.3.3 调整 B 区间铣挖刀刀尖轴向间距
• 6.3.4 调整 C 区间铣挖刀刀尖轴向间距
• 6.3.5 调整 D 区间铣挖刀刀尖轴向间距
• 6.3.6 调整 E 区间铣挖刀刀尖轴向间距
• 6.3.7 铣挖刀刀尖轴向间距调整后
• 6.4 调整后的铣挖头重新进行铣挖岩石的动态仿真
• 6.4.1 调整后铣挖刀受力结果
• 6.5 调整前后铣挖刀受力分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 今后工作展望
• 参考文献
• 附录 1 作者在攻读硕士研究生期间研究成果
• 致谢
• 详细摘要