摘要：為解決挖掘機鏟斗齒輪的受力和變形問題，提高挖掘機的施工效率和使用性能，以生物螻蛄爪齒為參照對象，對R108-9型挖掘機鏟斗齒進行仿生力學特性計算分析，研究其力學特性和變形規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著液壓缸施加動臂和斗桿壓力的增加，斗齒的最大等效壓力呈現(xiàn)“S”形的非線性增加；相比于原設計，采用仿生設計可以有效降低挖掘機鏟斗斗齒的應力，特別是在施加壓力大于8MPa條件下，其應力分布得到有效改善，大大提高了設備的掘進性能；隨著液壓缸施加動臂和斗桿壓力增加，仿生設計前斗齒的最大等效應變呈現(xiàn)線性增加的趨勢，而仿生設計后斗齒的最大等效應變呈非線性增加并趨于收斂的趨勢；采用仿生設計可以有效提高挖掘機鏟斗斗齒的剛度，提高設備的抗變形能力。

關鍵詞：機械設計；挖掘機斗齒；仿生學設計；仿真分析

0 引言

仿生學作為一門新興的學科，其研究對象包含了整個生物界，結(jié)合了機械學、生物學、材料學和電子信息學等多門學科體系，有機地聯(lián)系了深刻的物理學原理與有機生命世界，其目標是模仿或復制生物適應現(xiàn)實世界和承受環(huán)境改變的身體結(jié)構(gòu)和功能，運用工程學的原理應用于指導工程實際，達到改善現(xiàn)有技術(shù)工程設備，創(chuàng)造新的工藝方法和結(jié)構(gòu)裝置等目的。

近年來，工程機械設計借助仿生學原理取得了長足的發(fā)展，在機械功能結(jié)構(gòu)、機械運動機構(gòu)、機械材料和機械控制方面都形成了系統(tǒng)的研究，取得了許多創(chuàng)新成果，衍生出了諸多基于結(jié)構(gòu)仿生學的產(chǎn)品。如結(jié)合仿生學原理和激光增材制造方法，將航空航天領域機械零部件優(yōu)化，以提高機翼的剛度和強度。仿照鳥類骨骼輕質(zhì)和高強度的特性，在機械設備中設計了輕質(zhì)復合結(jié)構(gòu)材料，應用于機械結(jié)構(gòu)力學臂和起重臂。

基于仿生學在機械設計領域的廣泛應用和巨大潛力，機械設計中的仿生學原理和生物力學原理研究日益受到關注?；诖?，本文結(jié)合工程機械的設計，以生物螻蛄爪齒為參照對象，對R108-9型挖掘機鏟斗齒進行仿生力學特性計算分析，研究其力學特性和變形規(guī)律，研究成果可應用于既有挖掘機力臂斗桿的性能優(yōu)化和設備改造。

1 機械結(jié)構(gòu)仿生學理論分析

仿生學理論涉及多個學科的交叉融合，包含了生物學、物理學、機械工程學和材料科學等多個學科的基礎理論，具有深厚的科學性和實用性，應用于機械工程領域中時，涉及的仿生學理論主要有生物學理論、相似性理論、系統(tǒng)和最優(yōu)化理論。

1.1 生物學理論

在生物學理論中，機械結(jié)構(gòu)設計在生物學試驗基礎上，借助生物組織結(jié)構(gòu)自適應性原則、生物最低能耗假設、生物的進化理論提取生物物理力學特征，以適應更為復雜的機械工作環(huán)境。相比于機械結(jié)構(gòu)的金屬材料，生物結(jié)構(gòu)自身材料的強度無論是從宏觀尺度或者微觀尺度來說，都相對較低，卻能長期承受較大的荷載，擁有較強的韌性和自我修復功能。同時，生物結(jié)構(gòu)的材料、運動形式、身體結(jié)構(gòu)、能量交換方式符合最能能耗原則，在歷史演化中表現(xiàn)出趨異性和趨同性，以高度適應環(huán)境。

1.2 相似性理論

在相似性理論中，機械結(jié)構(gòu)設計可以充分考慮機械系統(tǒng)、構(gòu)件與生物個體之間的個性與共性、特殊與一般的相互關系，以相同的物理本質(zhì)，在遵循相似定理的前提下，深入研究和理解生物個體的結(jié)構(gòu)特點和力學特性，挖掘其背后的無禮本質(zhì)和規(guī)律，對生物結(jié)構(gòu)的力學特征進行模仿，提高結(jié)構(gòu)的高效性、適應性、魯棒性，達到優(yōu)化和創(chuàng)新機械結(jié)構(gòu)設計的目的。

1.3 系統(tǒng)和最優(yōu)化理論

在系統(tǒng)和最優(yōu)化理論中，生物體被認為是一個長期適應環(huán)境的復雜系統(tǒng)。這個系統(tǒng)通過不斷地演化與優(yōu)化，逐步發(fā)展出與周圍環(huán)境相適應的結(jié)構(gòu)和功能，其結(jié)構(gòu)、生理和行為特征都反應了生物體在特定環(huán)境下的最優(yōu)解，以便能夠高效地從環(huán)境中獲得資源。通過最優(yōu)化理論，將生物體的優(yōu)化和適應能力引入機械結(jié)構(gòu)設計中，可以設計出更加智能、靈活和可靠的機械系統(tǒng)，不僅可以提高設計的科學性和實用性，還可以推動機械工程領域的創(chuàng)新和發(fā)展。

在機械結(jié)構(gòu)工程設計中，為了改進現(xiàn)有設備的力學性能或者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有材料設計中存在不足，可借助豐富的生物力學原理，以生物自然結(jié)構(gòu)為參照對象，分析生物體不同尺度的結(jié)構(gòu)特點，對其通過系統(tǒng)性和整體性的設計，平衡機械的使用性能、材料屬性和結(jié)構(gòu)尺寸之間的沖突關系，提升機械的施工效率、穩(wěn)定性和可靠性。

2 機械結(jié)構(gòu)生物力學特性分析

在工程機械的結(jié)構(gòu)設計中，結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性至關重要。機械設備在惡劣的工作環(huán)境下，受到各種荷載的作用，若外力過大時則可能發(fā)生失效和斷裂。承受的和力矩也會導致結(jié)構(gòu)剛度失效，發(fā)生變形。而機械運行時受到的各種不穩(wěn)定因素干擾，則容易使其失去平衡，發(fā)生傾倒或滑動等事故。

目前，可以借助試驗方法和數(shù)值模擬的方法，研究生物體的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和材料屬性，提取其設計原理。以生物體的骨骼、肌肉和軟組織為例，骨骼具有輕質(zhì)且高強度的特點，肌肉則展現(xiàn)出良好的彈性和韌性，而軟組織則則為結(jié)構(gòu)機械運動提供了良好的緩沖和潤滑作用。因此，在機械結(jié)構(gòu)力學設計中，可以模擬分析生物結(jié)構(gòu)的受力特點、變形規(guī)律，以取得良好的抗疲勞、抗磨損和抗沖擊能力。

3 仿生學設計方法在挖掘機斗齒中應用

3.1 挖掘機結(jié)構(gòu)特點分析

挖掘機作為工程中應用最為廣泛的機械設備，具有結(jié)構(gòu)復雜、工況復雜的特點，在露天采礦、隧道挖掘和山體土石方開挖中發(fā)揮了重要的作用。挖掘機的結(jié)構(gòu)復雜性主要體現(xiàn)在各個部件都經(jīng)過精密計算和設計，如工作裝置、行走機構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺以及動力系統(tǒng)等。挖掘機工作裝置是主要的承載件，也是進行直接挖掘作業(yè)的主體部分，是快速高效完成土石方開挖、裝載、運輸?shù)热蝿盏闹黧w，其系統(tǒng)組成包括動臂、斗桿、鏟斗和各液壓缸。

3.2 基于東方螻蛄爪趾設計斗齒仿生模型

鏟斗的挖掘齒直接接觸巖土體，是破碎巖體、鏟運巖土的直接工具，為此本文借助仿生學設計方法，以生物螻蛄爪齒為參照對象，對R108-9型挖掘機為原型建立分析模型，對斗桿的力學特性進行仿真分析，以提高挖掘機的施工效能。

東方螻蛄是具有卓越挖掘能力的昆蟲，通過掃描電鏡圖對東方螻蛄前足部爪趾的觀察可發(fā)現(xiàn)，螻蛄在長期的生物進化中，能夠良好適應土壤中生活的重要條件就是具有高效挖掘洞穴的足趾。其前足特別粗大，爪趾是最關鍵的觸土部位。這種生物挖掘能力強悍，通過各部位的耦合協(xié)同作用，可在8h內(nèi)挖掘2000～3000mm的距離。

其爪趾形狀似鏟，正面和側(cè)面均呈現(xiàn)30°的楔角，有效減小了挖掘土壤過程中的摩擦力，避免了爪趾的應力集中，并提高了爪趾的切削性能和機械強度。本文基于仿生學設計方法，獲得東方螻蛄爪趾內(nèi)側(cè)和外側(cè)的輪廓曲線，并進行曲線擬合，代替斗齒的上下輪廓線，設計了挖掘機斗齒仿生模型如圖1所示。

3.3 挖掘機工作裝置有限元計算模型分析

有限元仿真分析采用ANSYS WorkBENCH軟件，建立的挖掘機工作裝置有限元計算模型如圖2所示。鏟斗的材質(zhì)為Q235高錳耐磨鋼（16Mn），其屈服強度為200MPa，彈性模量為200MPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.28。動臂和斗桿的材料為Q345鋼，其屈服強度為345MPa，彈性模量為206MPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.30。挖斗刃板和斗齒的材料為ZG25CrMnMo鋼，其屈服強度為1100MPa，彈性模量為203MPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.30。

考慮到計算精度和計算效率，采用實體網(wǎng)格單元對挖斗、動臂和斗桿進行網(wǎng)格劃分，得到動臂的單元數(shù)為264384個，節(jié)點數(shù)為312021個，單元尺寸為5～15mm。斗桿的單元數(shù)為20392lImO8q2HUlfgJLZDWiKe87MquXJGbAQNPES5srvYVP8=8個，節(jié)點數(shù)為276428個，單元尺寸為5～15mm；挖斗的單元數(shù)為250578個，節(jié)點數(shù)為390563個，單元尺寸為5～20mm。

4 挖掘機斗齒力學特性仿真結(jié)果分析

4.1 挖掘機斗齒最大等效壓力分析

圖3為挖掘機鏟斗斗齒在動臂和斗桿驅(qū)動下最大等效壓力計算結(jié)果。從圖3中可以看出，隨著液壓缸施加動臂和斗桿壓力的增加，斗齒的最大等效壓力呈現(xiàn)“S”形的非線性增加。

在相同的施加壓力條件下，采用仿生設計前斗齒最大等效壓力大于仿生設計后斗齒最大等效壓力，且這種差距在壓力小于8MPa時較小，而在施加壓力大于等于8MPa時，差距越來越大。

由此表明，采用仿生設計可以有效降低挖掘機鏟斗斗齒的應力，特別是在施加壓力大于8MPa條件下，其應力分布得到有效改善，大大提高了設備的掘進性能。

4.2 挖掘機斗齒最大等效應變分析

圖4為挖掘機鏟斗斗齒在動臂和斗桿驅(qū)動下最大應變計算結(jié)果。從圖4中可以看出，隨著液壓缸施加動臂和斗桿壓力的增加，仿生設計前斗齒的最大等效應變呈現(xiàn)線性增加的變化趨勢，而仿生設計后斗齒的最大等效應變呈現(xiàn)非線性增加并趨于收斂的變化趨勢。

在相同的施加壓力條件下，采用仿生設計前斗齒最大等效應變大于仿生設計后斗齒最大等效應變，且這種差距在壓力小于8MPa時較小，而在施加壓力大于等于8MPa時，差距越來越大。

由此表明，采用仿生設計可以有效提高挖掘機鏟斗斗齒的剛度，特別是在施加壓力大于8MPa條件下，其結(jié)構(gòu)剛度較為穩(wěn)定，有效地提高了設備的抗變形能力。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合工程機械的設計，以生物螻蛄爪齒為參照對象，對R108-9型挖掘機鏟斗齒進行仿生力學特性計算分析，研究其力學特性和變形規(guī)律，得到以下幾個結(jié)論：

隨著液壓缸施加動臂和斗桿壓力的增加，斗齒的最大等效壓力呈現(xiàn)“S”形的非線性增加；相比于原設計，采用仿生設計可以有效降低挖掘機鏟斗斗齒的應力，特別是在施加壓力大于8MPa條件下，其應力分布得到有效改善，大大提高了設備的掘進性能。

隨著液壓缸施加動臂和斗桿壓力的增加，仿生設計前斗齒的最大等效應變呈現(xiàn)線性增加的變化趨勢，而仿生設計后斗齒的最大等效應變呈現(xiàn)非線性增加并趨于收斂的變化趨勢。在相同的施加壓力條件下，采用仿生設計前斗齒最大等效應變大于仿生設計后斗齒最大等效應變。采用仿生設計可以有效提高挖掘機鏟斗斗齒的剛度，提高設備的抗變形能力。

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