WK10型礦用挖掘機提梁結構改進與力學特性分析

李萬科，夏 巖，王潤軍，王朝華，楊國彪

1沈陽露天采礦設備制造有限公司 遼寧沈陽 110122

2太原科技大學機械工程學院 山西太原 030024

提梁是礦用挖掘機提升鋼絲繩和鏟斗之間的紐 帶，其上端與鋼絲繩的一端連接，鋼絲繩的另一端由提升機構控制，提梁的下端與鏟斗連接，鏟斗的升降靠提梁上端鋼絲繩牽引。鏟斗往復運動靠推壓裝置傳動來帶動斗桿裝置完成，由此可知，鏟斗在提升和推壓的過程中，提梁都要承擔很大的拉力，在系統中是一個很重要的部件[1-2]，其剛度和強度直接關系到挖掘機工作的安全可靠性。

傳統的提梁采用鑄造結構，工程實踐中發現提梁在使用一段時間后，上耳板兩側根部易產生裂紋。這是由于鏟斗、物料和斗桿一端的重量 (其質量達幾十噸) 都作用在提梁的下端，提梁的上端與鋼絲繩柔性連接，工作時提梁上端來回擺動以平衡鏟斗裝置，此時提梁承受拉應力和彎曲應力，隨著使用時間的增加，疲勞強度下降，上耳板的根部產生裂紋或斷裂[3-4]；另外，當前提梁的設計主要考慮在鋼絲繩提升工況下提梁的承載性能，未考慮提梁來回擺動產生的彎曲應力。

針對礦用挖掘機鑄造提梁存在耳板易斷裂的問題，筆者提出了一種改進的焊接式箱型提梁結構。

1 改進提梁結構

傳統的 WK10 型礦用挖掘機的鑄造提梁結構如圖 1 所示，上耳板、下耳板與傳力區域一體化鑄造而成，材料為鑄鋼，外形尺寸為 2 695 mm×420 mm×1 520 mm (長×寬×高)。在挖掘機工作過程中，上耳板與提升鋼絲繩鉸接，下耳板與鏟斗鉸接，當鏟斗裝滿礦石后，鋼絲繩的提升力帶動提梁和鏟斗一同向上運動。筆者研究的鏟斗實際載重為 40 t，提梁承受的擺動載荷約為 10 t，在實際工作過程中，鑄造提梁的耳板根部易產生裂紋或斷裂。

圖1 鑄造提梁結構示意Fig.1 Structural sketch of casted bucket beam

針對 WK10 型礦用挖掘機的鑄造提梁耳板易斷裂問題，筆者將其改為焊接式箱型結構，結構如圖 2 所示。上彎板、下彎板、側板兩兩焊接組成箱型結構，兩個上耳板對稱地焊接在箱型結構的側板上，兩個外側護板分別焊接在上彎板左右外側，兩個內側護板分別焊接在下彎板內側；此外，箱型結構中布置有 6 個肋板來增強提梁的剛度和強度。上耳板的材料選用 Q690，其他部位的材料為 Q345，改進的焊接提梁的基本尺寸以及上耳板和下耳板的位置關系未做改變，與鋼絲繩、鏟斗的安裝孔及相關特征也未做改變，以保證鑄造提梁和焊接提梁的互換性。

圖2 焊接提梁結構示意Fig.2 Structural sketch of welded bucket beam

2 有限元分析

提梁的剛度和強度直接關系到挖掘機工作的安全可靠性，筆者采用有限元分析[5-6]對比分析改進的焊接提梁和傳統鑄造提梁在鋼絲繩提升工況、提梁擺動工況以及耦合工況下的剛度和強度。

首先，建立鑄造提梁和改進的焊接提梁的有限元模型。將圖 1 所示鑄造提梁導入有限元軟件 ANSYS中，材料選用鑄鋼，其彈性模量為 190 GPa，密度為7.8×103kg/m3，泊松比為 0.3。設置單元尺寸為 15 mm，采用四面體和六面體混合單元劃分網格，得到鑄造提梁有限元模型如圖 3 所示。同樣地，將圖 2 所示焊接提梁三維模型導入有限元軟件 ANSYS 中，將各零件之間添加綁定接觸來模擬焊接連接。上耳板的材料選用 Q690，其彈性模量為 214 GPa，密度為 7.85×103kg/m3，泊松比為 0.29；其他部位選用 Q345，其彈性模量為 206 GPa，密度為 7.85×103kg/m3，泊松比為 0.28。采用四面體和六面體混合單元劃分網格，得到焊接提梁有限元模型如圖 4 所示。

圖3 鑄造提梁有限元模型Fig.3 Finite element model of casted bucket beam

圖4 焊接提梁有限元模型Fig.4 Finite element model of welded bucket beam

2.1 鋼絲繩提升工況

鋼絲繩提升工況是指提梁在鋼絲繩提升作用下與鏟斗一起向上運動，該工況為提梁的主要承載工況。在提梁的上耳板鉸接孔施加固定約束，在提梁下鉸接孔施加豎直方向載荷 40 t。提交計算，得到鑄造提梁和焊接提梁在鋼絲繩提升工況下的分析結果，分別如圖 5、6 所示。

圖5 鑄造提梁在鋼絲繩提升工況下的分析結果Fig.5 Analysis results of casted bucket beam in wire rope lifting mode

圖6 焊接提梁在鋼絲繩提升工況下的分析結果Fig.6 Analysis results of welded bucket beam in wire rope lifting mode

由圖 5、6 可知：在鋼絲繩提升工況下，鑄造提梁的最大位移為 1.37 mm，位于與鏟斗的連接處，最大應力為 96.19 MPa，位于上耳板與上彎板連接處；焊接提梁的最大位移為 1.61 mm，最大應力為 136.51 MPa，最大位移和最大應力的產生位置與鑄造提梁相同。兩種結構提梁的最大應力均發生在上耳板與上彎板連接處，主要原因是：載荷沿著上彎板傳遞到該位置時，承載截面發生了變化，產生了應力集中，但兩種結構提梁的最大應力均遠小于材料的屈服強度。對比該工況下兩種結構提梁的最大位移和最大應力，鑄造提梁均小于焊接提梁，表明鑄造提梁在該工況下的剛度和強度更好。

2.2 提梁擺動工況

提梁擺動工況是指工作時提梁上端來回擺動以平衡鏟斗裝置，在此過程中提梁承受了彎曲應力，該工況主要用來評價提梁的抗彎曲能力。在提梁的上耳板鉸接孔施加固定約束，在提梁下鉸接孔施加橫向載荷 10 t。提交計算，得到鑄造提梁和焊接提梁在提梁擺動工況下的分析結果，分別如圖 7、8 所示。

圖7 鑄造提梁在提梁擺動工況下的分析結果Fig.7 Analysis results of casted bucket beam in bucket beam swing mode

由圖 7、8 可知：在提梁擺動工況下，鑄造提梁的最大位移為 8.53 mm，最大應力為 173.05 MPa，位于上耳板根部；焊接提梁的最大位移為 2.49 mm，最大應力為 77.61 MPa，位于上耳板與鋼絲繩的連接孔處；雖然兩種結構提梁的最大應力均遠小于材料的屈服強度，但焊接提梁上耳板根部的強度得到顯著加強。對比提梁擺動工況下兩種結構提梁的最大位移和最大應力，鑄造提梁遠大于焊接提梁，表明彎曲載荷下焊接提梁的剛度和強度得到顯著提高，分別提高了 70.8% 和 55.2%。

圖8 焊接提梁在提梁擺動工況下的分析結果Fig.8 Analysis results of welded bucket beam in bucket beam swing mode

2.3 耦合工況

同時考慮以上兩種工況，在提梁下鉸接孔施加豎直方向載荷 40 t 和橫向載荷 10 t。提交計算，得到鑄造提梁和焊接提梁在耦合工況下的分析結果，分別如圖 9、10 所示。

由圖 9、10 可知：在耦合工況下，鑄造提梁的最大位移為 8.71 mm，最大應力為 198.33 MPa，位于上耳板根部；焊接提梁的最大位移為 2.96 mm，最大應力為 187.72 MPa，位于上耳板與鋼絲繩的連接孔處；兩種結構提梁的最大應力均遠小于材料的屈服強度，且焊接提梁的上耳板根部應力得到有效改善。對比耦合工況下兩種結構提梁的最大位移和最大應力，焊接提梁比鑄造提梁分別減小了 66.0% 和 5.3%，表明焊接提梁在該工況下的剛度和強度更優。

圖9 鑄造提梁在耦合工況下的分析結果Fig.9 Analysis results of casted bucket beam in coupling work mode

圖10 焊接提梁在耦合工況下的分析結果Fig.10 Analysis results of welded bucket beam in coupling work mode

3 結語

針對 WK10 型礦用挖掘機鑄造提梁存在耳板易斷裂的問題，提出了一種改進的焊接式箱型提梁結構，采用有限元對比分析了焊接提梁和傳統鑄造提梁在鋼絲繩提升工況、提梁擺動工況以及耦合工況下的剛度和強度。分析結果表明，在鋼絲繩提升工況下鑄造提梁的剛度和強度更優，而在提梁擺動工況下焊接提梁的剛度和強度更優。將鋼絲繩提升工況和提梁擺動工況進行耦合分析，焊接提梁的最大位移和最大應力比鑄造提梁分別減小了 66.0% 和 5.3%，表明焊接提梁在耦合工況下的剛度和強度更好，且改進后焊接提梁的上耳板根部應力得到有效改善，改進的焊接提梁解決了鑄造提梁存在的耳板易斷裂問題。