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挖掘机工况!12m3矿用挖掘机斗杆结构的有限元

导读:此文是一篇挖掘机工况论文范文,为你的毕业论文提供有价值的参考。

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(1.中铁九局集团有限公司,辽宁 沈阳 110000;2.中铁工程机械研究设计院,湖北 武汉 430066)

摘 要:文章探讨的12m3矿用挖掘机是根据黑龙江伊春钼矿的特殊开采环境及特殊采挖需求而研制设计的.整车采用电力驱动,钢丝绳提升结合齿轮齿条推压方式实现挖掘功能,配有履带式行走机构,适用于黑龙江伊春钼矿天气严寒、昼夜温差较大的环境特点.为了分析所研制的12m3挖掘机斗杆是否满足现场要求,文章就斗杆结构建立了力学模型,同时结合仿真软件分析其在各种采矿作业下的受力情况得到不同工况下的应力图.

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关键词:露天采矿;矿用挖掘机;斗杆结构;有限元分析;力学模型;应力图  文献标识码:A

中图分类号:TD422  文章编号:1009-2374(2015)07-  DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

1 概述

露天开采因为能够采用较大型的机械设备,具有生产能力大、工作效率高、单位成本低等优点,作为最普遍采用的采矿方式之一,其中机械式正铲挖掘机是露天

单斗-汽车开采工艺系统和半连续开采工艺系统中关键的大型采矿设备,它的性能优劣及可靠性是影响矿山企业经济效益的重要因素.

黑龙江伊春钼矿位于高寒高纬度地区,野外作业环境恶劣,冬季严寒且持续时间长,最低气温在-40℃以下,昼夜温差较大.针对鹿鸣矿区恶劣的作业环境,同时充分结合露天矿山采掘工艺、使用维护条件、备品备件消耗、节能等综合因素,设计团队以“可靠、耐用”作为设计制造宗旨研发出了12m3矿用挖掘机.整机采用坚固式重型结构,计算机三维设计和强度验算,能够适应各种严酷工况,同时设备具有适用性强、生产效率高、使用寿命长、故障率低、维护量小、节能降耗等

优点.

研制的12m3矿用挖掘机主要设有五大机构:提升机构、推压机构、回转机构、开斗机构、行走机构,其主要工作机构采用交流变频电机驱动,利用交流变频调控其速度.提升机构为单电机、单卷筒、双钢丝绳提升的结构型式,采用两级齿轮传动;推压机构为单电机驱动,位于起重臂中部,采用两级齿轮传动,末级小齿轮与齿条啮合,推动齿条运动;回转机构采用两套独立电机,利用行星减速器并联驱动整车的回转运动;开斗机构位于起重臂中部,采用单电机驱动;行走机构由两套位于底架后部的单独电机结合行星减速器驱动挖掘机的移动.

本挖掘机的主要钢结构由起重臂、斗杆、铲斗、回转平台、 枢轴、辊盘、底架、履带装置、机棚等组成.其中主要钢结构有铸锻件,焊接件等,起重臂、斗杆等为钢板焊接制造的箱型结构,铲斗也为焊接结构铲斗,主要由高强度耐磨钢板A633D材料焊接而成.

所有机构中实现挖掘功能最核心的结构是斗杆和铲斗,在挖掘过程中推压机构推动斗杆向前插入矿料,提升机构提起铲斗将矿料挖进铲斗内部,同时推压机构将斗杆回收.在整个挖掘过程中斗杆会受到多重载荷的冲击,同时由于在爆破不好或采矿作业面过高的情况下,还存在挖根底作业和突然的大面积塌方,经常出现过大的冲击载荷直接作用在铲斗和斗杆上,所以为了挖矿作业能连续正常地生产,必须研究斗杆在作业时各种情况下的受力分析.本文就利用仿真软件模拟分析斗杆的受载情况,来探讨整机设计原理及其合理性.

2 斗杆的结构受力分析与仿真

2.1 斗杆的计算工况

在挖掘机挖掘过程中,在任意位置所受的力是不同的,对斗杆进行校核时,根据图1所示,斗杆的受力分析如下:斗杆受到的挖掘阻力沿挖掘轨迹切向方向分力F1和法向分力F2,作用在斗边的斗齿上,挖掘时遇到障碍物,产生横向力Fk,铲斗自重Gd,斗杆自重Gb,推压轴处支反力为R,还受到推压机构的推压力Tmax以及钢丝绳的提升力Q.

一般情况下,由F1和Fk的作用产生的F1a和Fkh使得斗杆一侧受力大,一侧受力小,而Fk在各侧的支反力相等为Fk/2;由力偶Fkl2的作用在两侧梁支座处产生的附加拉伸和压缩力为Fkl2/b;在垂直平面内力偶Fkh产生垂直方向的反力在支座处各为Fkh/b,另外在垂直平面还可能有因F1的偏心作用产生的附加反力为F1a/b.在齿条推压中,由于制造误差,推压力不可能平均分布于两侧梁上,所以规定一边受力Tmax/3,一边受力2Tmax/3,并把2Tmax/3施加在受力严重的一侧梁

上[1].

对斗杆的受力分析,主要分为两种工况进行:

工况一:斗杆处于理论水平位置,伸出正常工作幅度,提升绳与斗杆垂直,认为此时作用有最大提升力和推压力,铲斗空斗遇到了坚硬的矿石,此时作用在斗杆上的载荷最大;

工况二:斗杆伸出有效行程的2/3,斗杆处于理论水平位置,认为作用有最大提升力和推压力,铲斗遇到坚硬的矿石.

2.2 许用应力

本结构的主要材料为A633D,强度安全系数取n等于1.34,则许用应力:

2.3 斗杆的有限元模型和边界条件

斗杆主结构由板焊接而成,选用shell63壳单元进行模拟.本次离散共有20052个单元、19776个节点.环境温度设置为-43.1℃.

挖掘机中,斗杆后端受到推压装置的限制,有推压力和支反力的作用,前端与铲斗铰接,受力复杂,故将斗杆简化为悬臂结构.对斗杆与铲斗的铰接轴孔利用柱坐标特点施加约束,在推压轴处,斗杆被推压轴套固定,因此,对斗杆内侧固定面施加横向位移约束.在推压轴处,对斗杆的施加相应的载荷,以重力加速度施加整体重力.为斗杆工况一的边界条件图,为斗杆工况一的边界条件图.

3 有限元计算结果分析

经过有限元计算,得到的应力云图.工况一中,最大应力为240MPa,分布在推压齿条箱型截面与前部箱型截面连接的过度变截面的下盖板上;工况二中,最大应力为200MPa,分布在连接横梁与内腹板和上盖板的交接处,结构强度满足要求.

选择采用的A633D低合金高强度钢板具有良好的低温及冲击韧性,在寒冷和大载荷冲击环境中能保证结构件的稳定性和安全性.根据得到的应力图结果可以分析出设计的斗杆结构在材料选择和结构设计上都能满足矿场恶劣环境的需要.

参考文献

[1] 侯亚娟,毕秋实,张永明,等.大型矿用挖掘机铲斗结构优化设计及其可视化[J].工程机械,2014,45(6).

[2] 何君,何林,冉光宇,等.挖掘机斗杆各铰点力计算及有限元分析[J].现代机械,2011,(5).

[3] 龚进,左杰,朱俊霖,等.挖掘机斗杆有限元分析及灵敏度研究[J].广西大学学报(自然科学版),2013,38(2).

[4] 郑德超,魏心宽.矿用10m3挖掘机斗杆的有限元分析[J].工程机械,2008,39(8).

作者简介:王世廉(1965-),男,辽宁抚顺人,中铁九局集团有限公司副总经济师,工程师,研究方向:机械设备故障诊断与智能维护;原贞华(1983-),男,河南新乡人,中铁工程机械研究设计院技术员,工程师,研究生,研究方向:机械测控与自动化.

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(责任编辑:蒋建华)

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