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        WK12 型礦用挖掘機提升機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

        2024-01-25 02:47:24朱宴南趙炎龍王朝華
        礦山機械 2024年1期
        關(guān)鍵詞:卷筒礦用挖掘機

        朱宴南,趙炎龍,靳 潤,王朝華

        1國家電投扎哈淖爾煤業(yè)有限公司 內(nèi)蒙古通遼 029199

        2太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院 山西太原 030024

        礦用挖掘機廣泛應(yīng)用于露天礦的開采作業(yè)[1],據(jù)統(tǒng)計,全世界 2/3 的固體礦物資源采用露天開采,而露天采場中 80% 以上的剝離量和采掘量是用挖掘機械完成的。因此,礦用挖掘機是大型露天礦山開采的關(guān)鍵設(shè)備。礦用挖掘機工作過程分為鏟斗插入堆料、離開堆料、卸料、復(fù)位及行走 5 個動作,依靠推壓、提升、回轉(zhuǎn)、開斗、行走機構(gòu)和其他輔助機構(gòu)配合完成[2]。其中,提升與推壓機構(gòu)配合完成鏟斗插入堆料、離開堆料及卸料等動作[3-4]。

        礦用挖掘機工作對象是復(fù)雜多樣的礦巖,物料特性和爆破質(zhì)量各不相同,工作中載荷突變性很大,在挖掘過程中易產(chǎn)生交變沖擊載荷、振動、電動機堵轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。因此,挖掘機工作中提升機構(gòu)支座始終承受著較大的沖擊交變載荷[5],支座易產(chǎn)生聯(lián)接松動,導(dǎo)致減速機箱體開裂和潤滑油泄露,影響運轉(zhuǎn)[6]。

        筆者針對 WK12 型挖掘機提升機構(gòu)支座存在的問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,并利用有限元仿真技術(shù)進(jìn)行新結(jié)構(gòu)的剛度和強度計算,解決了支座開裂和漏油問題,提高了工作可靠性。

        1 提升機構(gòu)

        提升機構(gòu)是鏟斗堆料及卸料的驅(qū)動部件,如圖1 所示。其安裝在挖掘機回轉(zhuǎn)中心后部,雙電動機驅(qū)動,提升電動機通過彈性聯(lián)軸器與提升減速機以及提升卷筒收放鋼絲繩來完成鏟斗的升、降運動。

        圖1 礦用挖掘機提升機構(gòu)

        提升機構(gòu)由提升電動機、提升軸Ⅰ、提升軸Ⅱ、提升卷筒軸、支座、箱蓋等組成,如圖2 所示。支座是提升機構(gòu)載荷傳動的支承結(jié)構(gòu)件,通過螺栓安裝在中部平臺上;主要承力部件包括左支架、右支架和中間支架,3 個支架上方的圓孔內(nèi)分別安裝軸承,且軸心與提升卷筒軸同心。安裝時,支座內(nèi)部與中部平臺聯(lián)接的所有螺栓需要按規(guī)定力矩緊固。

        圖2 提升機構(gòu)結(jié)構(gòu)

        鋼絲繩最大提升質(zhì)量為 120 t,左支架、右支架和中間支架分別承擔(dān) 30、30、60 t,挖掘機工作載荷突變,中間支架可承受 50 kN 的重力,以防止卷筒軸側(cè)向竄動。WK12 型礦用挖掘機提升機構(gòu)在突變載荷下,中間支架的剛度明顯不足。為此,筆者針對提升機構(gòu)的傳力特點,將中間支架結(jié)構(gòu)改為箱式結(jié)構(gòu),如圖3 所示。

        圖3 提升機構(gòu)中間支架改進(jìn)

        2 提升機構(gòu)支座力學(xué)性能分析

        采用有限元分析對比原支座和新支座的剛度和強度,將圖3 所示支座結(jié)構(gòu)分別導(dǎo)入有限元軟件ANSYS 中,建立支座的有限元模型。材料選用普通鋼,密度為 7.85×103kg/m3,彈性模量為 210 GPa,泊松比為 0.3,設(shè)置單元尺寸為 25 mm。對左支架、右支架和中間支架分別施加 30、30、60 t 的軸承載荷,載荷方向與水平面夾角為 45°;對中間支架圓孔斷面施加 50 kN 的側(cè)向力,載荷方向沿軸心,約束支座底面自由度;采用四面體和六面體混合單元劃分網(wǎng)格,建立的有限元模型如圖4 所示。

        圖4 支座有限元模型

        經(jīng)過計算,得到原支座的位移和應(yīng)力分布云圖,如圖5 所示。原支座的最大位移為 0.88 mm,位于中間支架的軸承上端蓋;最大應(yīng)力為 103.89 MPa,位于中間支架與底座的螺栓連接處;左支架、右支架和中間支架的整體應(yīng)力約為 20~50 MPa;其他區(qū)域的應(yīng)力均低于 10 MPa,小于材料的屈服強度。這表明原支座的中間支架強度能夠滿足設(shè)計要求。

        建立新支座的有限元模型,施加相同的材料屬性、載荷和約束條件,經(jīng)過計算,得到新支座的位移和應(yīng)力分布云圖,如圖6 所示。新支座的最大位移為0.35 mm,位于中間支架的軸承上端蓋;最大應(yīng)力為104.5 MPa,位于中間支架與底座的螺栓連接處;左支架、右支架和中間支架的整體應(yīng)力分布趨勢及大小與原支座相近,均小于材料的屈服強度。這表明新支座的中間支架強度能夠滿足設(shè)計要求。

        圖6 新支座的有限元分析結(jié)果

        對比分析支座改進(jìn)前后的力學(xué)特性,新支座的位移比原支座減小了 0.53 mm,表明新支座中間支架的剛度提高了 60.23%,新支座的最大應(yīng)力與原支座基本相同,且應(yīng)力分布趨勢保持一致,均小于材料的屈服強度,提高了結(jié)構(gòu)剛度。

        3 結(jié)語

        針對 WK12 型礦用挖掘機提升機構(gòu)支座因結(jié)構(gòu)剛度不足而引起的箱體開裂和潤滑油泄露問題,設(shè)計了一種箱形支座結(jié)構(gòu),采用有限元分析對比改進(jìn)前后支座的力學(xué)特性。結(jié)果表明,改進(jìn)后,支座的剛度提高了 60.23%,且應(yīng)力大小及分布與原支座保持一致,大幅提高了結(jié)構(gòu)剛度。

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