WK12 型礦用挖掘機提升機構優化設計

朱宴南，趙炎龍，靳 潤，王朝華

1國家電投扎哈淖爾煤業有限公司 內蒙古通遼 029199

2太原科技大學機械工程學院 山西太原 030024

礦用挖掘機廣泛應用于露天礦的開采作業[1]，據統計，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鍵設備。礦用挖掘機工作過程分為鏟斗插入堆料、離開堆料、卸料、復位及行走 5 個動作，依靠推壓、提升、回轉、開斗、行走機構和其他輔助機構配合完成[2]。其中，提升與推壓機構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雜多樣的礦巖，物料特性和爆破質量各不相同，工作中載荷突變性很大，在挖掘過程中易產生交變沖擊載荷、振動、電動機堵轉等現象。因此，挖掘機工作中提升機構支座始終承受著較大的沖擊交變載荷[5]，支座易產生聯接松動，導致減速機箱體開裂和潤滑油泄露，影響運轉[6]。

筆者針對 WK12 型挖掘機提升機構支座存在的問題進行結構優化設計，并利用有限元仿真技術進行新結構的剛度和強度計算，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

提升機構是鏟斗堆料及卸料的驅動部件，如圖1 所示。其安裝在挖掘機回轉中心后部，雙電動機驅動，提升電動機通過彈性聯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

提升機構由提升電動機、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。支座是提升機構載荷傳動的支承結構件，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分別安裝軸承，且軸心與提升卷筒軸同心。安裝時，支座內部與中部平臺聯接的所有螺栓需要按規定力矩緊固。

圖2 提升機構結構

鋼絲繩最大提升質量為 120 t，左支架、右支架和中間支架分別承擔 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，以防止卷筒軸側向竄動。WK12 型礦用挖掘機提升機構在突變載荷下，中間支架的剛度明顯不足。為此，筆者針對提升機構的傳力特點，將中間支架結構改為箱式結構，如圖3 所示。

圖3 提升機構中間支架改進

2 提升機構支座力學性能分析

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 所示支座結構分別導入有限元軟件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格，建立的有限元模型如圖4 所示。

圖4 支座有限元模型

經過計算，得到原支座的位移和應力分布云圖，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力約為 20～50 MPa；其他區域的應力均低于 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，經過計算，得到新支座的位移和應力分布云圖，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計要求。

圖6 新支座的有限元分析結果

對比分析支座改進前后的力學特性，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%，新支座的最大應力與原支座基本相同，且應力分布趨勢保持一致，均小于材料的屈服強度，提高了結構剛度。

3 結語

針對 WK12 型礦用挖掘機提升機構支座因結構剛度不足而引起的箱體開裂和潤滑油泄露問題，設計了一種箱形支座結構，采用有限元分析對比改進前后支座的力學特性。結果表明，改進后，支座的剛度提高了 60.23%，且應力大小及分布與原支座保持一致，大幅提高了結構剛度。