關(guān)海英

摘? 要? 文章主要在對(duì)WK-4電動(dòng)挖掘機(jī)鏟桿受力情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)鏟桿的應(yīng)力與應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算分析，得出鏟桿失效的主要原因，并提出修復(fù)改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞 電動(dòng)挖掘機(jī)? 底架梁? 受力

1 前言

分析水廠鐵礦是國(guó)內(nèi)特大型（大于2000萬(wàn)t/a）露天磁鐵礦，每年礦巖采剝總量達(dá)5000萬(wàn)t以上。正常情況下采用礦車(chē)（TEREX85t、貝拉斯130 t電動(dòng)輪和SGA170礦車(chē)）與輸送帶組成半連續(xù)式運(yùn)輸。采掘車(chē)間裝卸礦巖石的工作則由11臺(tái)電動(dòng)挖掘機(jī)完成，其中WK-10B（10m³）型電動(dòng)挖掘機(jī)10臺(tái)，美國(guó)P&H2300（16.8 m³）一臺(tái)，少量WK-4型（4m³）電動(dòng)挖掘機(jī)只是作為輔助設(shè)備。

目前電鏟的發(fā)展趨勢(shì)是大型化、自動(dòng)化，主流設(shè)備斗容已發(fā)展到10 m³、16.8 m³甚至更大規(guī)格。但是，在某些小規(guī)模礦山，四立電鏟應(yīng)用還是比較普遍，并且撫挖的主流產(chǎn)品還是四立鏟。干選車(chē)間現(xiàn)在就是應(yīng)用了四臺(tái)WK-4鏟，配合77t礦車(chē)進(jìn)行生產(chǎn)。

在使用過(guò)程中，由于自重、長(zhǎng)期作業(yè)產(chǎn)生的疲勞，以及由于爆破質(zhì)量差、底板不平等原因造成作業(yè)過(guò)程中的沖擊負(fù)荷，經(jīng)常導(dǎo)致起重臂、轉(zhuǎn)臺(tái)及底架梁、鏟具等結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致部件失效，造成巨大的備件及停機(jī)損失。

由于電動(dòng)挖掘機(jī)在礦山的應(yīng)用已達(dá)百年以上，其自身的改進(jìn)還在不斷進(jìn)行之中，除生產(chǎn)廠家外，各礦山企業(yè)也在不斷摸索、完善和改進(jìn)設(shè)備。根據(jù)《礦山機(jī)械》等期刊發(fā)表的論文看，各用戶(hù)就推壓機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及鏟桿等部件和機(jī)構(gòu)在進(jìn)行研究和完善。本課題主要是對(duì)鏟桿進(jìn)行力學(xué)分析，應(yīng)用ANSYS有限元軟件模擬鏟桿的應(yīng)力與應(yīng)變，得出鏟桿失效的原因。

2? WK-4型電動(dòng)挖掘機(jī)

2.1 WK-4電鏟概述

WK-4電鏟的主要組成有工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置和履帶行走裝置三大部分組成。它的作業(yè)循環(huán)是：挖掘，滿(mǎn)斗提升回轉(zhuǎn)，卸載，空斗返回。

WK-4電鏟挖掘物料的過(guò)程是：當(dāng)電鏟作業(yè)時(shí)，機(jī)器靠近掌子面，鏟斗的挖掘點(diǎn)位于推壓機(jī)構(gòu)的正下方的工作面底部，斗前面與工作面的交角為45^°。鏟斗通過(guò)提升鋼絲繩和推壓機(jī)構(gòu)的聯(lián)合作用，使其作自下而上的弧形曲線運(yùn)動(dòng)，使斗刃在切入物料的過(guò)程中，把一層物料切削下來(lái)。

WK-4電鏟的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條復(fù)雜的曲線，它決定于物料的性質(zhì)和狀態(tài)，鏟斗切削的狀態(tài)以及鏟斗提升和推壓的速度。在理想狀態(tài)下，斗齒挖掘的軌跡的開(kāi)始段近乎水平面，而后，要求斗桿以較大的速度外伸和以較大的速度提升。隨著鏟斗的舉升，推壓速度下降，待斗齒處于與推壓機(jī)構(gòu)同一水平高度時(shí)，推壓速度降為零。鏟斗的提升繩拉力幾乎保持一個(gè)定值。所以，斗齒的運(yùn)動(dòng)中的后一段軌跡是一段圓弧形曲線。

2.2? WK-4電鏟主要參數(shù)

鏟斗容量 4（4.6）?????? 動(dòng)臂傾角45°???? ?動(dòng)臂長(zhǎng)度 10.5m?????? 鏟桿長(zhǎng)度 7.29m

推壓型式? 齒輪―齒條式????? 工作重量（含配重） 205T???? 履帶寬 0.9m? ????回轉(zhuǎn)速度 3-3.5 r/min

爬坡度? 12°?????? 提升速0.885m/s??????? 推壓速度 0.56 m/s?????????? 推壓速度 0.56 m/s

電源電壓 3000 V或6000 V?? ?最大挖掘半徑14.4 m??? 最大挖掘高度 10.1 m???? 最大挖掘深度 2.92 m

最大卸載半徑12.65 m??? 最大卸載高度 6.3 m??????? 機(jī)棚高度 5.475 m ?????????回轉(zhuǎn)臺(tái)高度 2.365 m

履帶對(duì)地平均壓力2.4 kg/cm^2?????? 行走速度 0.42 km/h（最大行走速度為7.83 km/h）。

平衡重30—36T（30T適合4m³電鏟，36T適合4.6m³電鏟）。

最大提升力50.8T（最大提升速度下的提升力為17.1T）。

最大推壓力22.2T（最大推壓速度下的推壓力為8.3T）。

3 鏟桿受力分析

3.1 最大推壓力計(jì)算

1）? 推壓機(jī)構(gòu)電機(jī)調(diào)速特性

電鏟用于鏟裝礦巖，其工作條件非常惡劣，特別是在爆破不好的情況下挖根作業(yè)，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)大的沖擊載荷，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，電鏟對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)就有較高的要求：要求電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線的包絡(luò)面積大，有足夠大的有功功率;要求有良好的調(diào)速性能，能四象限運(yùn)行，能快速地進(jìn)行加（減）速和反轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快;要求系統(tǒng)制動(dòng)性能好，并能回收能量;要求系統(tǒng)運(yùn)行可靠，維修方便等。

由于電鏟對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的這些特殊要求，所以，國(guó)產(chǎn)電鏟目前應(yīng)用的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要還是直流傳動(dòng)系統(tǒng)。例如：WK-4、WK-10等型號(hào)的電鏟都是采用直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)組系統(tǒng)、G―M系統(tǒng)）;從美國(guó)Harnischfeger公司引進(jìn)制造的P&H-2300XP和P&H-2800XP型電鏟則是采用晶閘管變流器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)晶閘管直流系統(tǒng)）。雖然后者比前者技術(shù)先進(jìn)，效率也有所提高，但這兩種系統(tǒng)都還存在直流電機(jī)固有的缺點(diǎn)，直流發(fā)電機(jī)組存在整流換向器，碳刷與整流子的旋轉(zhuǎn)接觸導(dǎo)致易損與故障率高，又因?yàn)闄C(jī)組體積大，重量重，使得維修更換困難，費(fèi)用高，周期長(zhǎng)，影響生產(chǎn)率。

隨著技術(shù)進(jìn)步出現(xiàn)了變頻器-鼠籠型電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)），這是交流化的電鏟電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。

舉例：高壓交流電由電纜經(jīng)集電環(huán)引入電鏟，由主變壓器將6 kV變?yōu)榈蛪?75 V，由整流器將交流變?yōu)橹绷?，?jīng)濾波后送入公共直流母線。在直流母線上有4臺(tái)容量為750 kVA的逆變器，分別驅(qū)動(dòng)提升電動(dòng)機(jī)，回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和推壓電動(dòng)機(jī)。當(dāng)某工作機(jī)構(gòu)處于再生制動(dòng)工作時(shí)，逆變器將再生制動(dòng)能量反饋到公共直流母線上，可供其它工作機(jī)構(gòu)使用，使能量得到充分利用。使用不完的制動(dòng)能量，可以通過(guò)制動(dòng)電阻消耗掉。

實(shí)踐證明，交流變頻調(diào)速電鏟和前兩種直流調(diào)速電鏟相比，具有節(jié)約電能、調(diào)速性能好、可靠性高、維護(hù)量小、生產(chǎn)效率高、功率因數(shù)高（0.95以上）等優(yōu)點(diǎn)，是公認(rèn)的電鏟電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2） 極限推壓力計(jì)算

總傳動(dòng)比i=122/22 × 110/16=38

已知電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1150 r/min

推壓小齒輪轉(zhuǎn)速 n=1150/38≈30 r/min

推壓電機(jī)功率P=54 kW

按齒輪（一對(duì)）效率99%軸承（一對(duì)）效率99%

推壓小齒輪上功率P=54×0.99×0.99×0.99×0.99=52 kW

推壓小齒輪轉(zhuǎn)矩T=9550P/n=9550×52/30 =16553 N.m=16.553 kN.m

推壓小齒輪分度圓直徑df=z×m=14×24=336 mm

推壓小齒輪圓周力F=2T/D=2×16.553/0.336≈ 98.5 kN≈10t，該值為速度最大，推壓力最小的情況。

本計(jì)算未考慮推壓齒輪兩側(cè)扶柄子的摩擦力，與廠家提供值基本接近。

最大推壓力按廠家提供的22.2 t計(jì)算。

3.2 鏟桿失效原因分析

1） 鏟桿結(jié)構(gòu)

鏟桿本體為箱式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為15 MnV。在鏟桿下平面，采用焊接工藝將齒條焊接牢固。齒條由ZG35直接鑄造而成，每段15個(gè)齒，模數(shù)14。（如圖4所示）

推壓齒輪材質(zhì)為ZG35CrMo，質(zhì)量為110 kg，作業(yè)制為每天工作20 h，額定使命壽命為4個(gè)月，采用鑄造不加工工藝。模數(shù)為24，齒數(shù)為14，齒寬為137 mm。

2） 齒條安裝工藝

齒條焊固前，必須嚴(yán)格確定兩根鏟桿齒條的相對(duì)位置，確保與推壓齒輪同步。同時(shí)必須控制兩根齒條的平行度與間距。待齒條找正后，采用簡(jiǎn)易門(mén)架和千斤頂將齒條固定好，控制焊接變形。焊接通常使用506焊條，采用15×15～150×75 mm的階段焊縫。找正方式如圖2所示。

具體要求：裝好的兩鏟桿內(nèi)側(cè)距離為1344 mm，其偏差不得大于±2mm;焊接齒條，以鏟桿聯(lián)接器兩端大花帽螺絲孔公共中心線為基準(zhǔn)，與兩根鏟桿上齒條對(duì)應(yīng)的某個(gè)齒，齒厚公共中心線不平行度不大于1 mm;相對(duì)應(yīng)30個(gè)齒的對(duì)角線長(zhǎng)度偏差不得超過(guò)5 mm;鏟桿上、下兩個(gè)平面長(zhǎng)向的直線度在1000 mm長(zhǎng)不大于0.5 mm。不平行度不得大于0.2 mm;鏟桿與鏟桿聯(lián)接器的側(cè)面接觸不少于60%。大、小花帽螺絲必須緊固，不許松動(dòng);后保險(xiǎn)牙與擋鐵和鏟桿的接觸面不小于85%保險(xiǎn)牙螺絲必須緊固;鏟桿聯(lián)接器與鏟斗連接處的軸向串動(dòng)量為3～6 mm;裝配好鏟桿連接器的小花帽螺絲不許碰撞大架子外沿。

3） 推壓齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算

按實(shí)際使用過(guò)程中暴露的故障，推壓機(jī)構(gòu)失效主要有推壓齒輪斷齒、齒條斷齒和鏟桿下面裂紋（齒條接縫處）等三種。推壓齒輪副為開(kāi)式齒輪，制造精度較低。對(duì)于制造精度較低的齒輪傳動(dòng)，制造誤差大，實(shí)際上多由在齒頂處嚙合的輪齒分擔(dān)較多的載荷，為便于計(jì)算，通常全部載荷作用于齒項(xiàng)來(lái)計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。

其中? K=K_AKv K_β=1.75×1.07×1.23=2.3

T₁=22.2×1000×9.8×336/2=36.6 KN.m

通過(guò)上述結(jié)論表明，推壓齒輪強(qiáng)度儲(chǔ)備較大，失效形式主要是磨損后發(fā)生斷齒。因此，要加強(qiáng)在日常使用中的潤(rùn)滑，確保每個(gè)班次加注潤(rùn)滑脂，延長(zhǎng)齒輪使用壽命。

4） 鏟桿受力有限元分析

根據(jù)對(duì)鏟桿測(cè)繪及結(jié)合部分零件圖，用AUTOCAD繪制裝配圖，然后在ANSYS中建模如圖3所示。

本模型取1000 mm長(zhǎng)度的鏟桿，中間500 mm處為兩根齒條的接縫，最大推壓力下作用在接縫中處最邊緣的一根齒，模擬最大推壓力正好作用在過(guò)渡區(qū)域的極端情況。

施加約束情況：

因?yàn)閳D3中鏟桿最下面有鞍形座摩擦接觸，長(zhǎng)度為1000 mm，寬度為180 mm，所以整個(gè)底面加Uy=0約束。

鏟桿右端面加Ux=0約束 ???????????????????齒輪與齒條嚙合力為108780N

齒條一個(gè)齒面的面積為：6503 mm²

則齒面的壓應(yīng)力為：108780/6503=16.728 MPa

將此值加載后求解：最大等效應(yīng)力：876 MPa

后將齒面的壓應(yīng)力減小修改為3.765 Mpa求解：

將此值加載后求解：最大等效應(yīng)力：197 MPa

施加約束如圖4所示：

得到齒條接縫處應(yīng)變?cè)茍D如下圖5所示：

4 結(jié)論分析與改進(jìn)措施

4.1 結(jié)論分析

上述情況模擬的是鏟桿在最大受力的情況下（悶車(chē)），推壓齒輪正好與兩根齒條接逢處的最邊緣一根齒嚙合。

由應(yīng)變?cè)茍D可以看出，兩根齒條接縫處的應(yīng)力與應(yīng)變與實(shí)際情況相符，建模符合實(shí)際，在接縫處應(yīng)力比較集中，尤其在齒條與鏟桿接縫處產(chǎn)生較大的應(yīng)力突變。在實(shí)際使用過(guò)程中，往往都是齒條接縫處下面的鏟桿出現(xiàn)裂紋造成鏟桿失鏟。

4.2 改進(jìn)措施

由于以往在齒條焊接過(guò)程中，只對(duì)兩個(gè)側(cè)面斷續(xù)焊接，齒條接縫處不用聯(lián)接，因此，在過(guò)渡區(qū)域產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，在ANSYS分析中產(chǎn)生了奇異性。結(jié)合分析結(jié)果，齒條結(jié)構(gòu)可作如下改進(jìn)：

1）新鏟具第一次采用拼接齒條，則須在焊接工藝上改進(jìn)。焊接方法如下圖6所示：

如圖6所示，除在齒條兩側(cè)翼面進(jìn)行焊接外，在拼接處，對(duì)靠近鏟斗的前一根齒條的根部預(yù)先處理出坡口，先進(jìn)行焊接。然后固定后續(xù)一根齒條，在接縫處將兩根齒條焊接在一起，然后再用磨具修復(fù)出齒條形狀，可有效降低接縫處的應(yīng)力。

2）修復(fù)鏟具更換齒條，采用電弧氣刨切割失效齒條，再使用角向磨光機(jī)將焊瘤清除干凈，避免使用氣割方式切割 舊齒條。

3）修復(fù)鏟具更換齒條，首先做到對(duì)鏟具是否產(chǎn)生裂紋進(jìn)行檢查，避免帶有裂紋未處理直接焊接新齒條，修復(fù)鏟具裂紋必須控制施工點(diǎn)位溫度，避免局部溫度驟然升高帶來(lái)危害。

4）焊接齒條采取二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接，避免使用手工焊接。

5）修復(fù)后鏟具在自然環(huán)境下靜置15-20天后再投入使用，能夠有效減輕焊接應(yīng)力對(duì)鏟具造成裂紋。