矿用地下铲运机关键结构设计与优化研究

引言

随着矿产资源开采逐渐向深部推进，地下采矿装备面临更严苛的作业条件与多变的地质环境，对矿用设备提出了更高要求。铲运机作为井下装岩与运输的主力机械，其运行质量在一定程度上决定了整个采矿工序的连续性与安全性。传统铲运机结构普遍以增强强度为导向，导致机体质量偏大，结构响应迟滞，难以适应高频操作与连续工况。而实际井下巷道常具有空间狭窄、通风条件差、地面不平等特征，这要求铲运机在结构设计上不仅要满足强度与刚度的基本指标，还要兼顾尺寸紧凑、动力适配与操控便捷等目标。本文基于典型地下铲运作业需求，聚焦关键结构单元设计与系统协调优化，力图通过技术路径分析，推动矿用装备向高效、智能与绿色方向升级。

一、矿用地下铲运机关键结构设计原则（一）整机结构紧凑化布置策略

铲运机作为需在狭窄巷道中自由转向和运行的设备，必须具备紧凑的整机结构布局。车架设计宜采用前后分体式结构，通过中间铰接实现转向功能，在保证灵活性的同时增强结构稳定性。发动机、油泵、电控箱等部件应按功能区分优化布局，避免过度集中带来的散热困难与维修障碍。在整机布置中，应预留维护通道与检修口，满足后期运维操作的可达性要求。结构布置的合理性不仅关系到机动性，还对整机振动响应、负载传递路径与动力流协同具有决定性影响[1]。

（二）铲斗与装置结构的强度刚度统一设计

铲斗作为直接接触矿石的工作单元，其设计需在高强度矿压冲击与复杂物料混合的工况下保持结构稳定。材料选用方面宜采用高强度耐磨合金钢，结合局部加厚与筋板强化方式，提升抗冲击能力。在结构设计中，应控制铲斗倾角与刃口长度，保证铲装阻力最小化并优化填满系数。铲斗连杆机构可采用三段式柔性连接，增强铲装稳定性与抗扭性能。通过 CAD 建模与仿真分析协同，可预估铲斗在加载过程中可能发生的应力集中区，并进行结构预处理，减少疲劳裂纹风险。

（三）转向与行走系统的动态响应能力设计

铲运机在复杂巷道中频繁转向与行驶，对其转向系统与行走装置的动态响应性能提出严苛要求。中铰转向结构需优化铰接点刚度与液压响应延时，降低整机转向时的回摆效应。轮胎选型应以宽断面防爆充气胎或实心胎为主，以增强通过性与抗刺穿能力。驱动桥设计宜采用双级减速结构，协调整机负载分布与驱动功率。对轮边减速器与制动系统应进行协同建模分析，避免制动过程中的结构冲击与热应力集中。基于虚拟样机技术可模拟典型巷道下的运行轨迹，辅助优化底盘结构与转向控制参数。

二、铲运机关键结构优化设计的技术路径（一）基于有限元分析的结构响应建模方法

在结构设计初期，建立整机三维 CAD 模型后，需引入有限元法进行静力与动态分析，识别高应力区与结构弱点。对车架、铲斗、提升机构等核心部位进行网格剖分与边界加载，评估其承载能力与变形模式。在动态响应模拟中，应考虑装载过程中的冲击载荷与巷道不平整引起的扰动载荷，采用模态分析与谐响应分析手段，预估结构疲劳寿命与共振风险。通过结构拓扑优化技术，可在满足刚度约束的前提下，剔除冗余材料，降低整机质量，提高结构效能比。

（二）模块化与标准化构件设计理念引入

为提升产品适应性与制造效率，铲运机结构设计应引入模块化理念，将铲斗机构、动力模块、转向架与操控平台等划分为标准功能单元，便于更换、升级与系列化开发。在参数化建模平台中构建结构模块库，通过配置不同载重等级与作业需求，实现产品的快速组合。模块化设计还可减少维护成本，缩短停机时间。尤其在井下作业设备需快速响应故障修复与配件更换的现实背景下，标准化接口与模块快装方式显得尤为关键[2]。

（三）智能传感与数据反馈驱动的结构调优

融合信息技术可实现对铲运机结构工作状态的实时感知与反馈分析。关键部位可部署应变片、加速度计与温度传感器，对结构受力状态与工作强度进行动态监测。采集的数据通过边缘计算与无线传输系统回传控制中心，建立健康监测模型并预警结构疲劳累积与异常振动风险。在结构调优阶段，可结合实测数据调整设计参数，使其更贴合真实工况。长期运行中构建数据模型库，也有助于形成故障模式与结构演化路径的知识沉淀，为新一代智能装备研发提供支撑。

三、关键结构优化过程中面临的现实问题与应对措（一）高强轻质材料应用受限于制造与成本因素

为实现结构轻量化目标，引入高强铝合金、复合材料等轻质材料成为趋势。但当前多数矿山企业在装备制造环节尚未形成高效复合材料加工能力，且新材料采购成本高、工艺成熟度低。建议在关键部位如提升臂、支撑杆等非主承载构件优先应用轻质材料，主结构仍以高强钢材为基础，形成“混合材料”策略，兼顾性能与经济性。同时应推动产学研联合开发，攻克高强轻质材料在焊接、连接与成形中的工程难点。

（二）结构优化缺乏作业数据支撑与反馈机制

现阶段多数铲运机设计主要依赖经验参数与单次工况仿真，缺乏系统性作业数据积累，难以反映真实运行中的结构响应特征。应推动井下作业数据的标准化采集与数据库建设，涵盖振动频率、载荷变化、冲击周期等指标。构建结构—工况—故障的因果模型，为设计阶段提供科学依据。同时鼓励用户单位与设备厂家建立数据共享机制，通过工况反馈持续迭代结构设计模型[3]。

（三）技术融合能力制约结构智能优化落地

虽然结构优化方法不断丰富，但智能仿真、物联网感知与平台化设计工具尚未形成系统集成，导致设计流程碎片化，影响协同效率。建议装备制造企业构建集建模、仿真、反馈、优化于一体的闭环研发平台，整合CAD/CAE 软件、智能传感器、数据分析工具与结构数据库，实现设计—验证—调优的自动化闭环。通过平台驱动结构决策过程，有望在未来形成智能化结构设计的行业标准。

结语

矿用地下铲运机的结构优化不仅关乎设备性能与安全运行，更关系到井下采矿系统的整体效率与可持续性发展。围绕整机结构布置、关键单元力学性能与结构响应优化展开系统设计，有助于铲运机适应更为复杂的工况需求。融合有限元仿真、模块化设计与智能传感技术，将推动矿用装备迈向智能、高效与绿色的新阶段。后续研究应进一步聚焦结构健康监测与寿命预测技术，探索装备全生命周期内的动态结构调控路径，为深部资源开采提供强有力的技术支撑与装备保障，同时为复杂矿区作业的智能化与精细化管理奠定坚实基础。

参考文献

[1] 张立冬. 矿用铲运机结构优化设计研究[J]. 矿业装备, 2023(4): 33-36.

[2] 胡志斌. 地下铲运设备智能优化技术发展现状与趋势[J]. 机械设计与制造, 2024(2): 40-45.

[3] 周浩然. 基于有限元分析的铲运机关键部件结构改进研究[J]. 矿山机械, 2023(10): 55-58.