楊磊

摘 要：介紹了一種機(jī)械式挖掘機(jī)的主要結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了起重臂的整體結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合有限元仿真分析軟件對受力最大的工況進(jìn)行建模分析。設(shè)備自組裝完成投入使用以來，整機(jī)結(jié)構(gòu)安全可靠，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式挖掘機(jī)；起重臂；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.047

1 概述

機(jī)械式正鏟挖掘機(jī)又稱電鏟，是利用齒輪齒條、鋼絲繩滑輪組等傳動件的單斗挖掘機(jī)，是露天礦生產(chǎn)的主要挖掘設(shè)備，其特點(diǎn)是作業(yè)效率高，使用壽命長，能適應(yīng)惡劣的礦山工作環(huán)境。露天采礦是當(dāng)今世界普遍采用的一種采礦方式，開采量大，能夠適應(yīng)對礦物資源需求量日益增長的需求，比井下開采效率高5～10倍，而成本只有井下開采的1/2～1/4，容易實(shí)現(xiàn)自動化采礦，生產(chǎn)安全，經(jīng)濟(jì)效益好。

地處小興安嶺境內(nèi)的黑龍江省伊春鉬礦，屬于高緯度高寒地區(qū)，作業(yè)環(huán)境十分惡劣，冬季最低氣溫達(dá)到-43.1°，并且晝夜溫差大，對設(shè)備的要求高。如何解決低溫環(huán)境對設(shè)備的影響，保證設(shè)備在低溫環(huán)境下的正常工作。同時(shí)要求設(shè)備具有適用性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、節(jié)能降耗等優(yōu)點(diǎn)。

2 主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

WKH-12型機(jī)械式正鏟挖掘機(jī)是專門為露天礦開采設(shè)計(jì)的挖掘設(shè)備，通過提升機(jī)構(gòu)、推壓機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和開斗機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)挖掘工作循環(huán)。其主要技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)斗容量為12m3，最大提升力1079KN，最大推壓力639KN，最大爬坡能力18°，履帶最大牽引力2060KN，完成一個(gè)工作循環(huán)的時(shí)間為29S，生產(chǎn)效率高。

WKH-12型機(jī)械式正鏟挖掘機(jī)由工作裝置、上部機(jī)構(gòu)、下部機(jī)構(gòu)等三部分組成。主要由鏟斗、斗桿、起重臂及推壓機(jī)構(gòu)、底架梁、回轉(zhuǎn)平臺、雙腳支架、輥盤、履帶裝置、機(jī)棚、司機(jī)室等部分組成（圖1）。主要鋼結(jié)構(gòu)有鑄鍛件、焊接件等，起重臂、斗桿等為鋼板焊接制造的箱型結(jié)構(gòu)，鏟斗為焊接式結(jié)構(gòu)鏟斗，主要由高強(qiáng)耐磨鋼板焊接而成。鏟斗與斗桿之間通過銷軸連接，起重臂及推壓機(jī)構(gòu)通過齒輪齒條推動斗桿挖掘。這三個(gè)部件作為主要工作裝置完成整個(gè)挖掘過程的推壓和提升動作。

3 起重臂及推壓機(jī)構(gòu)

起重臂及推壓機(jī)構(gòu)（圖2）作為工作裝置中的主要受力部件，主要由起重臂、中間軸、推壓機(jī)構(gòu)、緩沖器、起重臂平臺、頂部滑輪等組件組成。

起重臂是由具有低溫沖擊韌性的低合金高強(qiáng)度鋼板制造的箱型焊接結(jié)構(gòu)件，采用變截面的組合梁結(jié)構(gòu)，為保證箱型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和局部強(qiáng)度要求，箱梁內(nèi)部設(shè)有橫向隔板。起重臂與回轉(zhuǎn)平臺采用大跨距銷軸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)型式，現(xiàn)場安裝維護(hù)方便。由起重臂下蓋板邊緣延伸出的保護(hù)梁，既可以提高起重臂的強(qiáng)度和剛度，又起到了限制斗桿在挖掘時(shí)左、右擺動的作用，改善了推壓齒輪和齒條的嚙合狀態(tài)。起重臂下部的緩沖裝置用來防止鏟斗快速運(yùn)動可能對起重臂造成的碰撞損傷。

推壓機(jī)構(gòu)作為主要工作機(jī)構(gòu)布置在起重臂的中下部，采用兩級齒輪傳動，電機(jī)高速端設(shè)有氣動盤式制動器，安裝簡單可靠，維護(hù)量小。并設(shè)置有力矩限制器來保護(hù)設(shè)備，當(dāng)力矩超過設(shè)定的最大力矩時(shí)，力矩限制器會產(chǎn)生相對滑動來釋放能量。

WKH-12挖掘機(jī)采用的是齒輪齒條推壓斗桿的剛性型式，相對于鋼絲繩推壓機(jī)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在如下方面：切削效果好，可以適應(yīng)爆炸性差、松散度差、根底多、大塊多的作業(yè)條件，鏟裝效率高，與提升動作配合靈敏。但是由于整個(gè)推壓機(jī)構(gòu)的重力和推壓力都作用在起重臂上，這就要求起重臂要有足夠的強(qiáng)度。

4 有限元分析

4.1 計(jì)算工況

單獨(dú)對起重臂的主結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，在計(jì)算工作裝置的各個(gè)部件時(shí)，在整個(gè)工作循環(huán)過程中，由于選擇工況的不同，各部件的受力載荷也不同。

對于起重臂而言，分析整個(gè)工作循環(huán)，選取受力最大的工況進(jìn)行計(jì)算。起重臂受力最大的工況為：起重臂處于最小傾角45°，此時(shí)斗桿全部伸出，其方向垂直于起重臂中心線，此時(shí)進(jìn)行挖掘，起重臂受力最大。

此工況下的受力情況有：推壓機(jī)構(gòu)的最大推壓力T和起重臂的自重G對其造成的彎矩最大，而提升機(jī)構(gòu)的最大提升力Qmax及繃?yán)K拉力S對其造成的軸向壓力最大。

4.2 有限元模型的建立及邊界條件

起重臂的主結(jié)構(gòu)主要由耐低溫的鋼板焊接而成，選用shell63殼單元和梁單元進(jìn)行模擬，Shell63單元具有彎曲和薄膜特性，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)方向的自由度。將起重臂進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)簡化，建立其三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到起重臂的有限元分析模型。

WKH-12機(jī)械式正鏟挖掘機(jī)實(shí)際工作中起重臂底部支撐處采用大跨距銷軸鉸接，因此約束其X、Y、Z的位移，釋放其轉(zhuǎn)動約束；另外，模擬起重臂頂部繃?yán)K拉力，約束其X、Y、Z的位移。起重臂有限元模型外力載荷主要有：卷筒周邊拉力P和最大提升力Qmax，二者作用至起重臂頂部滑輪處，分解至有限元系統(tǒng)的軸上；推壓軸處起重臂的最大推壓力T，方向垂直于起重臂中心線，分解至有限元系統(tǒng)軸上；以慣性加速度施加整體重力，考慮整個(gè)挖掘動作的實(shí)際工作情況，振動比較大，動載系數(shù)取2進(jìn)行計(jì)算。起重臂整體約束及載荷圖如圖3所示。

4.3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

在起重臂受力最大的工況下，經(jīng)過有限元計(jì)算得到的最大應(yīng)力云圖如下圖所示。其主結(jié)構(gòu)采用的材料主要為A633D，強(qiáng)度安全系數(shù)取n=1.34，對于板厚δ≤65mm板的屈服極限是345MPa，因此，該材料的許用應(yīng)力[σ]=345/1.34=257MPa。

由圖4可知，起重臂最大應(yīng)力為250MPa，分布在起重臂上部，且范圍很小，為局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力處已通過結(jié)構(gòu)過渡優(yōu)化處理，并且對局部位置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)圓滑處理。其余部分絕大部分應(yīng)力是200MPa左右，均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，因此起重臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)束語

通過選取最大受力工況計(jì)算可知，起重臂整體結(jié)構(gòu)安全可靠，能夠滿足現(xiàn)場使用要求。WKH-12機(jī)械式挖掘機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用于伊春鉬礦的開采，成為伊春露天鉬礦開采的主力軍，為伊春鉬礦的穩(wěn)定生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。整機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)安全可靠，不僅提高了工作效率，降低了勞動強(qiáng)度，而且使用的單位成本低，維護(hù)量小，具有顯著的社會、經(jīng)濟(jì)效益。

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