齊善朋

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110023）

斗輪挖掘機是一種適用于露天礦層采掘和物料搬運的常用設(shè)備，斗輪挖掘機具有連續(xù)化作業(yè)、作業(yè)范圍廣、生產(chǎn)效率高等一系列優(yōu)點，應(yīng)用于大型露天礦山的開采作業(yè)，主要應(yīng)用在露天礦層的土壤剝離、礦料采掘、礦料搬運、物料裝載作業(yè)等。此外，斗輪挖掘機在散料堆取料場、大型土建和土石方工程中也逐漸得到廣泛的應(yīng)用。斗輪挖掘機的工作原理是物料經(jīng)過其前端斗輪挖掘機斗體的挖掘切削作業(yè)，該挖掘切削作業(yè)以挖掘臂架回轉(zhuǎn)和斗輪體旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運動軌跡來進(jìn)行作業(yè)，然后經(jīng)過斗輪旋轉(zhuǎn)提升后物料在斗輪頂端落至輸送皮帶機上再運輸?shù)街付ǖ攸c，實現(xiàn)物料的切削和運輸。

1 斗輪挖掘機的組成

斗輪挖掘機是能夠進(jìn)行高效連續(xù)作業(yè)的工程機械，斗輪挖掘機的斗輪體上裝載著多個挖斗裝置，它利用挖掘臂架的回轉(zhuǎn)和斗輪體自身旋轉(zhuǎn)組成復(fù)合運動，使鏟斗能夠持續(xù)挖掘硬質(zhì)物料。它的結(jié)構(gòu)主要由運行裝置、走行機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)裝置及液電氣系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)輔助系統(tǒng)組成。運行裝置包括斗輪體、挖掘臂架、受料輸送機、排料裝置及其他輔助裝置；旋轉(zhuǎn)裝置則由回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)和多個驅(qū)動電機等組成?；剞D(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的上部連接臂架結(jié)構(gòu)，挖掘臂架與臂架梁連接，斗輪挖掘機利用回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)帶動挖掘臂實現(xiàn)回轉(zhuǎn)作業(yè)。

2 斗輪挖掘機履帶底盤的作用

斗輪挖掘機履帶底盤是履帶式挖掘機的支承裝置，起到支承挖掘機所有機構(gòu)的質(zhì)量以及承受斗輪挖掘機在工作過程中所受的力，并能實現(xiàn)斗輪挖掘機工作性和轉(zhuǎn)場性的走行移動。走行機構(gòu)由驅(qū)動電機、履帶板、走行車輪等組成，當(dāng)驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)時帶動主動輪旋轉(zhuǎn)，同時帶動履帶運動來實現(xiàn)斗輪挖掘機整體的向前運行。

3 斗輪挖掘機履帶底盤建模分析

根據(jù)斗輪挖掘機履帶底盤設(shè)計圖紙和國家鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50017—2010)，建模時履帶底盤板殼結(jié)構(gòu)需要遵循如下原則：

（1）各底盤板件的厚度方向以各個板厚的中分面位置來確定。

（2）因結(jié)構(gòu)和工藝需要加裝的肋板或者筋板，對仿真計算結(jié)果分析的影響可忽略不計，在建立仿真有限元模型時可以不予考慮。

（3）在真實受力中，各個鋼板不僅要承受拉壓應(yīng)力，還承受彎矩，因此有限元分析時板單元類型需要采用彎曲板單元。

履帶底盤部分包括車架和履帶架，車架和履帶架通過連接墊板和連接座連接，但是連接墊板的結(jié)構(gòu)不利于安裝，本文采用履帶架法蘭與車架法蘭連接，模型如圖1 所示。

圖1 履帶底盤有限元模型

履帶底盤部分由鋼板組焊而成，根據(jù)履帶底盤的結(jié)構(gòu)特點和受力分析情況，在有限元分析時把履帶底盤鋼結(jié)構(gòu)各部分均等效為彈性板單元，因此履帶底盤部分按板殼結(jié)構(gòu)(SHELL63)來進(jìn)行建模，計算三維模型參見圖2。履帶底盤部分的板構(gòu)件材料為Q345，采用SHELL63 單元，按中性層建模，點單元采用MASS21 單元，對其劃分網(wǎng)格，共有58 348 個單元，56 380 個節(jié)點。

其約束情況為：

（1）小轉(zhuǎn)臺連接面上的所有節(jié)點剛化到其中心點，在中心點處加載。

（2）大轉(zhuǎn)臺連接面上的所有節(jié)點剛化到其中心點，在中心點處加載。

（3）承重輪處，對應(yīng)軸孔圓上節(jié)點剛化到兩圓心連線中心點上，在中心點處施加約束。

（4）法蘭連接處，對應(yīng)圓孔上節(jié)點剛化到各自中心點，對兩中心點進(jìn)行耦合，只放開Z 向。

（5）連接座處，將連接座與車架連接板接觸線分為對稱的兩段，分別剛化后進(jìn)行耦合，只放開X 向。

施加約束后如圖2 所示。

圖2 履帶底盤網(wǎng)格劃分及約束

4 工況加載情況

在履帶底盤的強度校核中，當(dāng)取料臂幅度最大（與地面水平）、取料臂與取料臂成90°時，履帶底盤的受力最不利，因此只計算這種情況；共有4 種載荷狀態(tài)：主載荷、附加載荷、非工作風(fēng)載和物料堵塞；每種載荷狀態(tài)計算三種工況：取料臂與下車縱軸線成0°、45°、90°。這12 種工況的載荷組合如表1 所示。

表1 載荷組合

5 有限元計算結(jié)果和分析

綜合履帶底盤以上12 種工況，工況3 中取料臂與下車縱軸線成90°時斗輪挖掘機小轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為286.044 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置主要有承重輪處、連接座處及車架內(nèi)豎板下邊緣處，如圖3所示。但區(qū)域非常小，存在應(yīng)力集中，產(chǎn)生原因是由于此處結(jié)構(gòu)限制導(dǎo)致的網(wǎng)格質(zhì)量問題以及約束位置剛性區(qū)域?qū)е碌膭偠韧蛔?，可以忽略，因此履帶底盤結(jié)構(gòu)強度滿足要求。其他區(qū)域小于所用材料的許用應(yīng)力，符合強度要求。該工況中履帶底盤位移為3.245 mm，如圖4 所示，也滿足材料要求。

圖3 工況3 中90°時履帶底盤等效應(yīng)力云圖

圖4 工況3 中90°時履帶底盤位移分布

通過對履帶底盤有限元模型的受力分析表明，履帶底盤的強度、剛度都小于許用值，部分應(yīng)力集中對部分可以通過優(yōu)化設(shè)計，去除應(yīng)用集中影響，起到既滿足使用要求，又減少履帶底盤自身質(zhì)量和節(jié)省材料的目的。

本文為履帶底盤的設(shè)計進(jìn)行了有限元分析，節(jié)省了設(shè)計時間，提高了設(shè)計質(zhì)量，同時也為斗輪挖掘機整體設(shè)計提供了參考和幫助。