12m3機械式挖掘機起重臂的設計與應用

楊磊

摘 要：介紹了一種機械式挖掘機的主要結構形式和特點，重點闡述了起重臂的整體結構形式，并結合有限元仿真分析軟件對受力最大的工況進行建模分析。設備自組裝完成投入使用以來，整機結構安全可靠，實現了設備的設計目標。

關鍵詞：機械式挖掘機；起重臂；有限元分析

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

1 概述

機械式正鏟挖掘機又稱電鏟，是利用齒輪齒條、鋼絲繩滑輪組等傳動件的單斗挖掘機，是露天礦生產的主要挖掘設備，其特點是作業效率高，使用壽命長，能適應惡劣的礦山工作環境。露天采礦是當今世界普遍采用的一種采礦方式，開采量大，能夠適應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，容易實現自動化采礦，生產安全，經濟效益好。

地處小興安嶺境內的黑龍江省伊春鉬礦，屬于高緯度高寒地區，作業環境十分惡劣，冬季最低氣溫達到-43.1°，并且晝夜溫差大，對設備的要求高。如何解決低溫環境對設備的影響，保證設備在低溫環境下的正常工作。同時要求設備具有適用性強、生產效率高、節能降耗等優點。

2 主要結構特點

WKH-12型機械式正鏟挖掘機是專門為露天礦開采設計的挖掘設備，通過提升機構、推壓機構、回轉機構、行走機構和開斗機構來實現整個挖掘工作循環。其主要技術參數為：標準斗容量為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，完成一個工作循環的時間為29S，生產效率高。

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

3 起重臂及推壓機構

起重臂及推壓機構（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、推壓機構、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度鋼板制造的箱型焊接結構件，采用變截面的組合梁結構，為保證箱型結構的穩定性和局部強度要求，箱梁內部設有橫向隔板。起重臂與回轉平臺采用大跨距銷軸聯接的結構型式，現場安裝維護方便。由起重臂下蓋板邊緣延伸出的保護梁，既可以提高起重臂的強度和剛度，又起到了限制斗桿在挖掘時左、右擺動的作用，改善了推壓齒輪和齒條的嚙合狀態。起重臂下部的緩沖裝置用來防止鏟斗快速運動可能對起重臂造成的碰撞損傷。

推壓機構作為主要工作機構布置在起重臂的中下部，采用兩級齒輪傳動，電機高速端設有氣動盤式制動器，安裝簡單可靠，維護量小。并設置有力矩限制器來保護設備，當力矩超過設定的最大力矩時，力矩限制器會產生相對滑動來釋放能量。

WKH-12挖掘機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構，其主要優點表現在如下方面：切削效果好，可以適應爆炸性差、松散度差、根底多、大塊多的作業條件，鏟裝效率高，與提升動作配合靈敏。但是由于整個推壓機構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度。

4 有限元分析

4.1 計算工況

單獨對起重臂的主結構進行有限元分析，在計算工作裝置的各個部件時，在整個工作循環過程中，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，分析整個工作循環，選取受力最大的工況進行計算。起重臂受力最大的工況為：起重臂處于最小傾角45°，此時斗桿全部伸出，其方向垂直于起重臂中心線，此時進行挖掘，起重臂受力最大。

此工況下的受力情況有：推壓機構的最大推壓力T和起重臂的自重G對其造成的彎矩最大，而提升機構的最大提升力Qmax及繃繩拉力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

起重臂的主結構主要由耐低溫的鋼板焊接而成，選用shell63殼單元和梁單元進行模擬，Shell63單元具有彎曲和薄膜特性，每個節點具有6個方向的自由度。將起重臂進行一定的結構簡化，建立其三維模型，并進行網格劃分，得到起重臂的有限元分析模型。

WKH-12機械式正鏟挖掘機實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，釋放其轉動約束；另外，模擬起重臂頂部繃繩拉力，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，分解至有限元系統軸上；以慣性加速度施加整體重力，考慮整個挖掘動作的實際工作情況，振動比較大，動載系數取2進行計算。起重臂整體約束及載荷圖如圖3所示。

4.3 有限元計算結果分析

在起重臂受力最大的工況下，經過有限元計算得到的最大應力云圖如下圖所示。其主結構采用的材料主要為A633D，強度安全系數取n=1.34，對于板厚δ≤65mm板的屈服極限是345MPa，因此，該材料的許用應力[σ]=345/1.34=257MPa。

由圖4可知，起重臂最大應力為250MPa，分布在起重臂上部，且范圍很小，為局部應力集中，最大應力處已通過結構過渡優化處理，并且對局部位置進行了結構圓滑處理。其余部分絕大部分應力是200MPa左右，均在許用應力范圍內，因此起重臂的結構強度滿足要求。

5 結束語

通過選取最大受力工況計算可知，起重臂整體結構安全可靠，能夠滿足現場使用要求。WKH-12機械式挖掘機已經成功應用于伊春鉬礦的開采，成為伊春露天鉬礦開采的主力軍，為伊春鉬礦的穩定生產打下了基礎。整機設備結構安全可靠，不僅提高了工作效率，降低了勞動強度，而且使用的單位成本低，維護量小，具有顯著的社會、經濟效益。

參考文獻：

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