任 斌

（陽煤集團有限責(zé)任公司三礦機電工區(qū)， 山西 陽泉 045000）

引言

極大的自身承重、工作負(fù)荷、持續(xù)開采的動態(tài)隨機性以及惡劣的工作條件，為露天采礦機器機制和結(jié)構(gòu)失效的發(fā)生提供了“肥沃的土壤”。由于停機時間的原因，降低了露天礦機和系統(tǒng)的工作效率。除此之外，重要結(jié)構(gòu)部件的失效可能導(dǎo)致露天礦機的崩塌。為了防止事故的發(fā)生，必須連續(xù)地檢查裝載最多的結(jié)構(gòu)部件及其連接，即必須執(zhí)行機器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以及機構(gòu)監(jiān)測。

1 煤礦斗鏈挖掘機配重臂支撐架（柱）的常見問題

斗鏈挖掘機（BCE）ERs1000/20在某實例露天礦中使用。在多年開挖期間時，配重吊桿（CWB）支撐桁架的兩列凸緣周期性出現(xiàn)裂縫。這些裂縫被焊接修復(fù)后再次出現(xiàn)相同的位置，且越來越長，圖1所示。

圖1 斗鏈挖掘機（BCE）ERs 1000/20出現(xiàn)的裂縫示意

2 煤礦斗鏈挖掘機配重臂支撐架（柱）的失效分析

2.1 法蘭損壞的測試

通過肉眼進行裂紋區(qū)的視覺檢查?；A(chǔ)材料裂縫，焊縫金屬，以及在熱影響區(qū)觀察兩列凸緣，如圖2所示。

圖2 肉眼進行裂紋區(qū)的視覺檢查結(jié)果示意圖

樣品取自左側(cè)法蘭的一部分，進行基本的實驗研究包括：化學(xué)分析、拉伸和沖擊測試、宏觀硬度（5次測量平均宏觀硬度（HB）為165以及金相學(xué)測試。

2.2 原始柱頭應(yīng)力狀態(tài)的數(shù)值識別

通過應(yīng)用線性有限元方法（FEM）來確定結(jié)構(gòu)臨界區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。通過綜合所有結(jié)構(gòu)件的三維模型，建立并展示了CWB支撐桁架的三維模型如圖3所示。

圖3 CWB支撐桁架的三維模型圖

臨界柱區(qū)域的三維模型，圖3中的框架細(xì)節(jié)，顯示了由4節(jié)點離散化的連續(xù)體四面體元素以創(chuàng)建FEM模型（370245個節(jié)點，1590103個元素），BCE屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，幾何構(gòu)型可變，使得外部分析成為加載非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體。負(fù)載具有出色的動態(tài)性和隨機性，因此計算的負(fù)載是完全意義上的假設(shè)。根據(jù)代碼進行載荷分析，并采用軸向力Fa=3 000 kN作為代表性柱載荷[3-4]。

單向應(yīng)力的最大值是在法蘭厚度減小區(qū)域和肋骨端部獲得的，如下頁圖4所示，關(guān)鍵區(qū)域棒的應(yīng)力值為345MPa，高于允許值（270MPa）27.8%，并且非常接近通過測試獲得的屈服應(yīng)力值。

2.3 重新設(shè)計與優(yōu)化

為了減少應(yīng)力集中的不利影響，柱頭進行了重新設(shè)計，如下頁圖5所示。從圖5可以看出，在原始柱頭結(jié)構(gòu)SC1和SC2幾乎在相同位置作用（圖5-1），而在重新設(shè)計的柱頭中，它們錯位550mm（圖5-2）。除此之外，SC1從載荷引入的位置（螺栓連接，轉(zhuǎn)移關(guān)節(jié)），這在一定程度上減輕了應(yīng)力集中效應(yīng)。

圖4 CWB支撐桁架的計算模擬圖

圖5 CWB支撐桁架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

重新設(shè)計的柱頭離散化是通過與原始相同類型和尺寸的元素完成的列頭。

在設(shè)計立柱頭部修復(fù)和重建設(shè)計程序時必須在現(xiàn)場實現(xiàn)完整的程序，而不拆除BCE的子結(jié)構(gòu)上層建筑通過提升CWB來確保關(guān)鍵區(qū)域的分散。使用安裝在頂部的液壓千斤頂實現(xiàn)臨時支撐的塔架。在建立可以進入子結(jié)構(gòu)的臨時腳手架之后有必要安裝一種局部亞結(jié)構(gòu)固定的工具。接下來拆除板，以使得能夠切割和移除損壞的柱的頭部。在重新設(shè)計的立柱頭部建造后與CWB支撐桁架結(jié)構(gòu)的其余部分連接，對子結(jié)構(gòu)的幾何形狀和焊接接頭進行了控制，并進行了適當(dāng)?shù)姆栏g保護。應(yīng)變儀方法用于在開采條件下實地測量。安裝前完成測量點的形成和測量系統(tǒng)初始狀態(tài)的確定，重新設(shè)計的柱子頭部處于完全不受負(fù)擔(dān)的狀態(tài)，準(zhǔn)確識別它們的壓力。重建后測量是在BCE從修復(fù)地點到露天的旅行期間以及在土壤開挖期間完成的[5]。

將最大測量的應(yīng)力值乘以由此計算的校正因子，我們獲得最大應(yīng)力在BCE旅行期間臨界區(qū)的價值，顯然，在BCE開采期間重新設(shè)計的柱頭中的最大應(yīng)力值低于允許的應(yīng)力值。最后，圖4注意到有趣的是，結(jié)果指出了BCE期間的最大應(yīng)力值旅行量大于挖掘過程中的約4.2%。

方案的設(shè)計方式要在現(xiàn)場條件下實現(xiàn)，沒有拆除任何BCE上層建筑組件。因此執(zhí)行重建所需的時間是由于BCE停機時間縮短和間接成本大大減少。原位測量結(jié)果充分證實了柱頭重新設(shè)計概念的有效性。除此之外，他們還指出，在BCE旅行期間，考慮下部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平高于土壤開挖期間。這個事實指出正確準(zhǔn)備BCE旅行路線的重要性[6]。

3 結(jié)論

根據(jù)材料測試和數(shù)值應(yīng)力識別的結(jié)果，在列頭臨界區(qū)對局部應(yīng)力分布（或多或少）有不利影響，即：法蘭厚度減小、肋骨末端影響、受負(fù)載影響的橫斷面。因此，柱頭重新設(shè)計的關(guān)鍵是盡可能減小應(yīng)力集中疊加的不利影響。結(jié)果指出重新設(shè)計的柱頭臨界區(qū)的最大應(yīng)力值是1.54倍，比原來的柱頭高，也低于允許的應(yīng)力值。最后，所提出的重建效率通過無故障開采來證實，本文實例的BCE大約有8.5×106t煤和1.8×106t的覆蓋層，符合全新設(shè)計的有效性。