煤礦斗輪挖掘機斗輪軸斷裂的原因分析及仿真研究

張林軍

（山西宏廈第一建設有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

斗輪軸是斗輪挖掘機重要的構成要素。其功能是將斗輪和傳動裝置永久連接。挖掘機構的各個元件狀態經常改變，而且在很大程度上不可預知，這些元件包括輪子、軸、軸承、變速器、離合器和發動機。因此要求軸由合金鋼制成并予以適當的熱處理，從而使其具備一個合適的細粒材料結構，以便對操作的變化條件具有足夠的抵抗力[1]。

1 煤礦斗輪挖掘機工作條件及常見軸損壞問題

露天采礦機械的耐久性是通過適用的規范來確定的，而這些規范往往未考慮承重結構的元件的動態和振動現象。另外，由于輪式挖掘機具有較高的挖掘能力，鏟斗輪軸較高的輸出扭矩及動態特性可能導致軸疲勞失效。在某煤礦中，挖掘機斗輪的動力傳動系統發生故障往往是由斗輪軸斷裂造成的。

露天開采機器通常被應用在巖石難以開挖的地區，挖掘過程中帶有軸的斗輪在嚴重的應變下運行，容易發生故障。在操作過程中，鏟斗跨越堅硬的挖掘區域，導致往復運動，并且需要輪子在更差的條件下工作和生產。這種增加的負載必須通過鏟斗之間的連接來傳輸車輪和軸，主要通過焊接連接。軸的基礎材料以及軸和輪盤之間的焊縫受到的應力超出預期得多。在這種連接中使用的焊接方法（大的焊縫，可能的高熱梯度）是難以控制，并且不規范，可能會導致整體框架骨折，通常將帶有擺動桿和斗輪的行星齒輪裝在軸上。如某煤礦軸損傷包括落在R10 mm半徑內的裂縫，其中直徑從Φ470 mm變為Φ500 mm，并且軸從驅動傳動裝置側連接到斗輪盤上[2]。

夾緊連接是將扭矩直接連接在部件，通過行星齒輪箱和斗輪軸之間傳遞。機器操作和修理時，因為拆卸KWK1 200 M挖掘機的變速箱時存在困難，必須將行星架與斗輪軸斷開。鉗連接缺點是在行星齒輪架的管狀部件的夾緊表面上形成接合點的結合趨勢，這使得斗輪軸難以拆卸。

2 基于有限元方法計算軸的抵抗力

為了確定軸斷裂的原因，使用有限元公式法計算斗輪軸的阻力。根據技術數據建立了軸的幾何模型和嚴謹的模型文檔，如圖1所示。斗輪盤與軸焊接在一起，磁盤和軸應該在所有極限載荷下焊接區域中的應力不超過最大水平的結合。

圖1 軸的幾何模型和嚴謹的模型文檔

來自斗輪傳動系統的力矩通過兩個端蓋從軸上傳遞。距離最近的端帽傳輸60%～70%的扭矩。軸疲勞斷裂的起點出現在焊接接頭處。最重要的應力出現在法蘭和螺栓之間錐形外殼和法蘭與端蓋之間，如圖1所示。

來自實驗研究和數值計算的結果被用來評估應力的大?。ㄔ跈C器運行期間的裂縫面積）。使用測量點處獲得的應力位移序列，對數值模型進行縮放并獲得損壞的軸區域中的相應序列。軸支撐在兩個軸承，相距4 600 mm。動力通過固定在軸上的齒輪傳遞。對轉矩的響應通過扭矩梁被輸送到斗輪軸承中。數值模型包含兩個定義的系統負載分別是軸扭轉和軸彎曲。扭轉時，200 kN的圓周挖掘力施加在軸模型上。軸彎曲是由驅動系統和挖掘系統的重量而造成的。在斷裂區域觀察到根據Huber-Mises彎曲假設的應力最大值并且在先前指示的直徑位置處的R10 mm半徑從Φ470 mm變為Φ500 mm，σsh=78.4 MPa（圖 2-1）。由系統重量引起的彎曲，根據Huber-Mises假設的最大應力值在相同的斷裂面積觀察到 σGh=32.7 MPa（圖 2-2）[3]。

圖2 軸的重量彎曲系統應力云圖

對兩種類型的荷載進行FEM抗力分析，顯示了拐角處最大應力的位置靠近斗輪端蓋和主軸承安裝區域，以及切口的邊緣主軸承，單側軸扭轉是最重的負載。總負載包括兩者軸的扭轉和彎曲，最大應力為σGhmax=135 MPa。在輪軸跨度的中間，最大應力是σGhmax=66 MPa。這些負載是正常操作的結果。單邊的疲勞極限扭矩為340 MPa，暴露于所述條件區域的安全系數為2.5。軸經過幾年的操作后斷裂，并且在初步檢查后發現斷裂具有疲勞斷裂的痕跡。FALANCS計算機系統用于疲勞計算。使用應力記錄并考慮疲勞評估軸耐久性是一個高周期分類。Haibach疲勞假設被應用循環計算，名義荷載的數值計算結果是按照正常運行的過載系數變化序列和使用超常挖掘力的運行來進行縮放的。

軸由25CrMo4鋼制成，用PN-EN 10083-1標準25HMT等級符合PN-89/H-84030標準用于增韌和表面硬化。材料的數學模型用SN曲線描述。該分析提供了用于計算的每個載荷序列的疲勞損傷參數。傷害使用的是Miner線性損傷法則。根據疲勞失效的數值確定軸是否在有限或無限疲勞強度范圍內工作。在超常規力挖掘時，軸所承擔的強度更高，疲勞強度約為正常操作的四分之一。這種情況下的疲勞失效輪廓直徑從Φ470～Φ500變化的R10半徑斷裂區域內觀察到。

疲勞斷裂位于軸的周圍在連接軸和法蘭的焊縫中。許多疲勞斷裂的存在是暴露在軸上的特征扭矩和彎矩。立即斷裂區域表現為塑性和脆性斷裂的特征。疲勞斷裂最可能發生在離法蘭軸線70～80 mm的軸以及焊接軸和法蘭的焊接處。導致疲勞斷裂的原因主要是由于非金屬夾雜物被軋制而可能低于軸表面而產生的。第一個裂紋也可能出現在焊接區域，同時也是高應力區域，并傳播到渣包裹帶。當發生斷裂時，夾雜物發生碎裂，表面無法看到。在距離法蘭軸線70～80 mm的斷裂區域，觀察到爐渣材料的存在，這種大的非金屬夾渣表明斗輪軸沒有經過正確的鍛造[4]。

3 結論

1）斗輪挖掘機中斗輪軸斷裂采用數值計算方法來進行判斷，根據運行數據評估機器元件的耐用性，計算結果被用作評估使用有限元軸的疲勞壽命的基礎方法（FEM）。

2）對傳動軸的實際運行數據進行分析，分析表明，斗輪無限制地運轉強度，疲勞失效接近于零。但是，引起了超常規的挖掘力量斗輪軸在有限的疲勞強度下運行。

3）假設挖掘機長時間在這種條件下運行，斷裂面積與實際斷裂面積相對應。