一種新型煤礦裝載機鏟斗的參數設計與分析*

梁光明,溫 鴻,王虎奇▲

(1.廣西柳工機械股份有限公司,廣西 柳州 545007;2.廣西科技大學 機械與汽車工程學院,廣西 柳州 545616)

0 引言

裝載機是一種集鏟裝、運輸、卸料于一體的大型設備,具有機動靈活、操作簡單、工作效率高等優點[1],已成為露天煤礦開采中必不可少的設備。在開采環節中,鏟斗作為煤礦裝載機的主要工作裝置之一,對生產效益有著重要影響,是裝載機性能的重要指標。由于煤礦裝載機在露天煤礦作業中環境惡劣,裝載機鏟裝煤礦的過程中,鏟斗頻繁與物料直接接觸,常造成鏟斗磨損嚴重甚至斷裂問題,為了保證煤礦裝載機工作可靠高效。本文對某5噸煤礦裝載機鏟斗根據露天煤礦作業工況進行合理開發,并在典型的三種工況下進行結構強度校核,為煤礦裝載機鏟斗的結構優化提供理論依據。

1 鏟斗幾何參數設計與工況分析

1.1 鏟斗幾何參數設計

鏟斗主要由斗底壁、圓弧壁、切削刃板、側刃、擋板以及鉸接耳板組成[2]。根據煤礦企業對鏟斗提出的阻力小、工作效率高、耐磨及使用壽命長等要求進行鏟斗設計。本文采用郭凌汾[3]提出的四個基本參數法來確定鏟斗的幾何尺寸參數(圖1),該方法的四個基本參數:

圖1 鏟斗斗形及參數

1)斗張角E0,由斗底和斗壁二直線組成的夾角。

2)底弧比D,是斗底長度L與圓弧半徑R的比值。

3)側刃傾角E1,鏟斗側壁切削刃相對斗底的傾角。

4)擋板高度系數F,后擋板高度M與鏟斗圓弧半徑R之比。

據國內外論文及裝載機的樣本和圖紙統計[4],得到5噸裝載機鏟斗四個參數的大致范圍為E0=38°～45°,D=1.2～1.8,E1=50°～60°,F=0.30～0.35。

為滿足煤礦企業的設計要求,確定E0=40°,D=1.3,E1=55°,F=0.3;鏟斗的凈寬W由裝載機的輪距確定,參考同類樣機定為3 m;為減小鏟斗的阻力,鏟斗的斗底角為0°;煤礦專用鏟斗的容量基于物料的密度和使得裝載機鏟斗容量與卡車的裝載容量能良好匹配,提高裝卸、運輸的作業效率的考慮,最終確定鏟斗容量VS為3.8 m3。

鏟斗的側面積公式:

(1)

式中:1.2為考慮堆裝斗容約為平裝斗容的1.2倍[2];S表示圖1鏟斗的側面積anbm(m2)

(2)

(3)

(4)

鏟斗圓弧半徑公式:

(5)

經計算S=1.056 m2,R=0.575 m,L=0.748 m,M=0.173,A=2.327 m,B=1.191 m,C=1.502 m。

由于露天煤礦都是經過爆破后的松散煤礦,故鏟斗鏟裝煤礦時不需要安裝斗齒對煤礦進行切碎處理,同時為保證切削刃的耐磨性,本文在切削刃處增加了可拆卸的副切削刃板:A—側切削刃,B—中切削刃,如圖2、圖3所示。當副切削刃磨損到一定程度后,可拆換,從而延長了鏟斗的使用壽命。

圖2 鏟斗的主切削刃 圖3 鏟斗的裝配式副切削刃

根據上述確定的幾個關鍵設計點參數,開展煤礦專用鏟斗的設計,最后使用UG完成鏟斗的三維模型,如圖4。

圖4 設計完成的煤礦 專用鏟斗

圖5 鏟斗的3種典型工況

1.2 典型工況分析

裝載機在鏟裝煤礦時,主要是由鏟斗鏟入物料、鏟取物料、掘取物料三個工況組成,而這三個典型工況下的受力情況如下[5-7]:

(a)鏟斗插入物料時,鏟斗受到與裝載機牽引力等大的水平物料阻力。阻力位置集中在主切削刃、副切削刃、側刃位置。

(b)鏟斗提取物料時,認為鏟斗的圓弧和斗底處只受垂直掘取力的作用。

(c)鏟斗鏟取物料時,鏟斗除了斗底受到插入時的物料阻力,鏟斗圓弧和斗底還受到物料的垂直向下的重力作用,該重力的大小與裝載機的掘取力相等。

2 有限元分析

在UG中對鏟斗三維模型中結構受力無關性部分進行簡化處理,將模型保存為x_t的格式后,再將其導入有限元軟件Ansys Workbench中,進行靜力學分析。

2.1 鏟斗的材料

該裝載機鏟斗的主切削刃與可裝配的副切削刃選擇耐磨性和屈服強度兩者特性都高的20CrMnMo材料,其余部分選擇16Mn材料,二者材料力學性能如表1所示。

表1 各材料力學性能

2.2 網格劃分及邊界條件施加

因為鏟斗的三維模型尺寸較大和計算機分析能力有限,因此對整個鏟斗的單元大小設為30 mm,對整體自由劃分網格,網格劃分結果如圖6,得到網格節點數為147197個,單元數為70625個。根據鏟斗的作業情況,對鏟斗的斗耳板和掛耳板的三個銷孔處的六個自由度,采用全約束的方式進行約束固定。

圖6 網格的劃分

2.3 載荷的施加與求解

鏟斗將應用于某5噸煤礦裝載機,該裝載機的最大掘取力為158 kN,最大牽引力為150 kN[8],根據1.2小節表述的三種典型載荷工況,在裝載機鏟斗插入物料時,鏟斗的切削刃、副切削刃、側刃表面受到最大的水平載荷為150 kN,在裝載機提取物料時,鏟斗的圓弧及斗底受到最大垂直載荷為158 kN,而在裝載機鏟斗鏟取物料時,則將前兩者的受力情況綜合施加。由于鏟斗的作業對象是松散的煤礦粉,故按對稱載荷來模擬計算,更接近實際情況。鏟斗在水平對稱載荷、垂直對稱載荷、水平垂直對稱載荷下的應力與位移分析云圖如圖7-圖12所示。

圖7 水平對稱載荷下的應力云圖 圖8 水平對稱載荷下的位移云圖

2.4 結果分析

由求解結果可知,鏟斗中最大變形位置主要發生在切削刃處,而較大的應力大部分都集中在斗耳板靠近斗壁底板位置,二者的位置與實際情況相符合,表明分析結果具有一定準確性。另外應力的分布對稱性較好,也說明了鏟斗有限元模型的合理性。

從位移云圖(圖8圖10圖12)中可以發現,變形位置主要集中在切削刃的中間位置,鏟取時所受的水平對稱載荷導致的最大變形量為17.61 mm,插入時最大位移量為0.50 mm,提取時的最大位移量17.11 mm介于兩者之間,總體位移量均在許可范圍內,且可以考慮將可裝配的兩塊副切削刃B制成一塊可裝配的副切削刃來提高切削刃中間位置的強度,進而減小切削刃中間位置的變形量,從而在不增加質量的情況下,提高鏟斗切削刃的強度。

從應力云圖(圖7圖9圖11)中可以發現,煤礦鏟斗在鏟取的最大等效應力為203.17 MPa,此工況下最大,其次是在提取工況下鏟斗的最大等效應力為195.13 MPa,最后是鏟斗插入物料時的最大等效應力為53.97 MPa。在只有水平對稱載荷時,最大應力主要集中在兩斗耳與斗壁的焊接處,另外兩種工況的最大應力都集中在斗底的護板位置,其他部分應力較小。三種典型工況下的最大應力都小于表1中材料的屈服強度,故鏟斗在三種受載情況下各個部分均滿足強度要求。在保證裝載機的工作性能及生產效率的情況下,可對應力較小的部位進行優化,如使用強度較小的材料或者減少材料的用量,同時提高生產企業的焊接技術,有利于延長鏟斗的使用壽命。

圖9 垂直對稱載荷下的應力云圖 圖10 垂直對稱載荷下的位移云圖

圖11 水平垂直對稱載荷下的應力云圖 圖12 水平垂直對稱載荷下的位移云圖

3 結語

本文采用四基本參數法對露天煤礦裝載機鏟斗進行幾何參數設計,并根據露天煤礦物料特點,將鏟斗斗齒替換成可進行替換并延長鏟斗的使用壽命的裝配的副切削刃,最終確定鏟斗的三維模型。使用Ansys Workbench對煤礦鏟斗進行有限元分析,其分析結果與鏟斗實際情況中的應力與應變較為接近,且最大等效應力小于材料的屈服強度,最大位移變形量在允許范圍內,總體滿足鏟斗作業要求。為進一步對裝載機鏟斗進行優化設計提供了理論參考。