大型礦用挖掘機(jī)斗桿組件疲勞壽命研究

曹建亮

摘要：機(jī)械化生產(chǎn)成為煤礦企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的主要運(yùn)作形式，在機(jī)械設(shè)備中，大型礦用挖掘機(jī)的使用率非常高，大型礦用挖掘機(jī)的性能發(fā)揮與使用壽命直接關(guān)系著煤炭生產(chǎn)質(zhì)量、產(chǎn)量與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，為了更好的保持大型礦用挖掘機(jī)最佳性能發(fā)揮與使用壽命，首先就要保證機(jī)體構(gòu)件的完整性，包括斗桿組件。本文結(jié)合已有大型礦用挖掘機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)疲勞理論、模型構(gòu)建、時(shí)間元素等方面的研究，利用疲勞修正系數(shù)計(jì)算方法，找到改善途徑。

關(guān)鍵詞：大型礦用挖掘機(jī)；斗桿組件；疲勞壽命；計(jì)算修正系數(shù)；仿真設(shè)計(jì)

在大型礦用挖掘機(jī)中斗桿組件是重要的組成部分，更是煤礦采掘過(guò)程中主要操控環(huán)節(jié)，直接關(guān)系采掘進(jìn)程與效率，斗桿組件在工作運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生交變載荷、隨機(jī)載荷，而這些載荷對(duì)斗桿組件的疲勞壽命有很大的影響，結(jié)合疲勞理論，對(duì)強(qiáng)度與壽命進(jìn)行分析，為了改善斗桿組件的疲勞壽命，則需要采用修正系數(shù)計(jì)算方法，在科學(xué)合理的控制下，更好的發(fā)揮挖掘機(jī)運(yùn)行效率。

一、靜力學(xué)分析

1、斗桿組件的受力分析與模型建立

大型礦用挖掘機(jī)斗桿組件在實(shí)際運(yùn)行中，受力點(diǎn)主要來(lái)源于挖掘阻力、鋼絲繩拉力、機(jī)體重力、物料重力。大型礦用挖掘機(jī)斗桿組件是一種常見(jiàn)的箱型焊接結(jié)構(gòu)，主要有蓋板、腹板、加強(qiáng)肋板組成，結(jié)構(gòu)組建比較復(fù)雜，借助UG/WAVE功能實(shí)施斗桿三維參數(shù)化模型構(gòu)建，這項(xiàng)功能一來(lái)可以保持原來(lái)結(jié)構(gòu)的完整性，二來(lái)可以優(yōu)化模型，并且可以保證模型受力分析與實(shí)體斗桿受力分析完全相同。再將構(gòu)建的模型傳送到ANSYSWorkbench中。

2、材料特性及主要參數(shù)

斗桿組件主要由Q460E組成，彈性模量E=2.1E5MPa，屈服強(qiáng)度σb=460MPa，泊松比p=0.3。

3、載荷及邊界條件

斗桿全部伸出時(shí)，推壓力作用在齒條最后兩個(gè)齒的齒面上，對(duì)鞍座底面施加固定約束，斗桿上推壓齒條和鞍座之間添加Tra-nslational運(yùn)動(dòng)副。斗桿、鏟斗、連桿和銷軸間添加Fixed運(yùn)動(dòng)副。提升力通過(guò)鋼絲繩和提梁作用在鏟斗上。鋼絲繩與提梁間接觸類型選擇Noseparation。

鋼絲繩頂端施加固定約束，模擬鋼絲繩的提升作用。提梁、鏟斗和連接兩者的銷軸間添加Revolute運(yùn)動(dòng)副。挖掘阻力在整個(gè)挖掘過(guò)程中大小和方向均發(fā)生改變，故分析時(shí)，將挖掘阻力分解為橫向挖掘阻力和縱向挖掘阻力。分析中略去斗齒，挖掘阻力直接作用于斗唇上斗齒位置處。均載工況中，挖掘阻力均布于整個(gè)斗唇。偏載工況中，挖掘阻力均布于斗唇的三分之一部分。物料重力作用于斗底和斗前壁?？紤]斗桿組件重力。加載方式為分步加載。

4、靜力學(xué)分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到斗桿組件在均載和偏載兩種工況下的應(yīng)力分布云圖與位移云圖。均載工況下，斗桿組件的最大應(yīng)力為218.68MPa，發(fā)生在提梁頂部的彎曲加強(qiáng)肋中部。提梁左右兩側(cè)板處最大應(yīng)力約為108.74MPa。雙斗桿結(jié)構(gòu)提高了斗桿的剛度和強(qiáng)度以及抗扭剛性，同時(shí)保證了鏟斗的受力均勻，故均載工況下斗桿和斗體的應(yīng)分布較為均勻，只在斗桿下側(cè)耳板根部以及斗體耳板下部產(chǎn)生了約為108MPa的較大應(yīng)力。最大位移為54.172mm，發(fā)生在斗唇中央。

偏載工況下，斗桿組件的最大應(yīng)力為242.19MPa，發(fā)生在斗桿與推壓軸小齒輪的嚙合齒上。挖掘阻力作用一側(cè)的斗桿中部，斗桿耳板根部，挖掘阻力作用對(duì)側(cè)的上側(cè)耳板上應(yīng)力達(dá)到165.13MPa。提梁左右兩側(cè)板處最大應(yīng)力約為123.85MPa。斗桿組件最大位移發(fā)生在挖掘阻力作用一側(cè)的斗前壁與斗側(cè)壁連接處上部，最大位移達(dá)到75.998mm。這些位置出現(xiàn)較大應(yīng)力和位移是由于偏載工況中斗桿組件受到了由于挖掘阻力產(chǎn)生的較大彎矩和扭矩的作用，造成斗桿組件呈現(xiàn)嚴(yán)重拉壓狀態(tài)。

二、斗桿組件疲勞壽命分析

1、疲勞分析方法與線性疲勞累計(jì)損傷理論

斗桿組件疲勞壽命分析方法主要是利用FE-SAFE軟件。并結(jié)合科學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行研究，如：線性疲勞累計(jì)損傷理論：主要是受循環(huán)載荷影響使得疲勞出現(xiàn)線性累加情況，每個(gè)應(yīng)力都存在各自獨(dú)立的狀態(tài)，無(wú)干涉情況，線性累加到一定程度，達(dá)到具有損傷反應(yīng)的數(shù)值時(shí)，疲勞現(xiàn)象明顯，組建出現(xiàn)損傷。

2、大型挖掘機(jī)斗桿組件材料S-N曲線

斗桿組件材料發(fā)生S-N曲線主要是通過(guò)疲勞試驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行所獲得的，主要是利用Segger算法實(shí)施材料S-N曲線估算，前提是需要對(duì)材料的強(qiáng)度極限、楊氏模量、材料性質(zhì)等方面信息足夠了解，進(jìn)而經(jīng)過(guò)軟件處理，獲取S-N曲線。

3、疲勞載荷定義

斗桿組件運(yùn)行過(guò)程中可同時(shí)承受挖掘阻力、機(jī)體與物料的重力以及推壓力，其中挖掘阻力包括橫向與縱向兩種挖掘阻力，阻力的變化無(wú)統(tǒng)一規(guī)律；物料重力數(shù)值在挖掘深度不斷增加的同時(shí)，重力也會(huì)相應(yīng)增大；機(jī)體自身的重力基本不變；推壓力受挖掘機(jī)的運(yùn)行速度、物料重力的變化而發(fā)生變化。利用EDEM軟件對(duì)大型礦用挖掘機(jī)斗桿組件的挖掘過(guò)程中所產(chǎn)生的各種受力變化進(jìn)行離散元仿真，并結(jié)合多年的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)比較，其仿真結(jié)果非?？煽浚?duì)變力載荷時(shí)間歷程進(jìn)行仿真。在結(jié)合斗桿組件運(yùn)行工況分析，分析材料S-N曲線，總結(jié)出斗桿組件的疲勞是高周破壞所引起，聯(lián)合受力特點(diǎn)分析，借助多軸疲勞計(jì)算方法，對(duì)斗桿組件疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)值取證。

4、FE-SAFE疲勞壽命計(jì)算

靜力學(xué)分析中主要是針對(duì)均載、偏載兩種運(yùn)行情況進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力、移位結(jié)果取證，在FE-SAFE軟件中應(yīng)用靜力學(xué)分析方法，并將均載、偏載結(jié)果實(shí)施導(dǎo)入，將各變力的載荷時(shí)間歷程信號(hào)與各載荷步的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果匹配。選用應(yīng)力-壽命曲線作為疲勞壽命評(píng)估依據(jù)，選擇vonMises：-Goodman算法。預(yù)設(shè)壽命為107次，載荷變化率為5%，進(jìn)行疲勞壽命分析和計(jì)算。計(jì)算后，將結(jié)果導(dǎo)入ANSYS中查看結(jié)果。

5、疲勞壽命結(jié)果分析

斗桿組件在正常的運(yùn)行工況下，其疲勞壽命為105.39次（均載）和104.94次（偏載）。結(jié)合現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)要求，挖掘機(jī)的年均工作時(shí)間可達(dá)六千小時(shí)，按45分鐘為工作循環(huán)耗時(shí)標(biāo)準(zhǔn)分析，斗桿組件均載工況條件下工作壽命為6個(gè)月，偏載工況條件工作壽命為2個(gè)月?？梢哉f(shuō)明偏載工況對(duì)斗桿組件的疲勞壽命影響要比均載工況嚴(yán)重很多。

由于對(duì)大型挖掘機(jī)無(wú)法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，只能通過(guò)仿真初步預(yù)測(cè)產(chǎn)品的疲勞壽命，存在一些誤差，故中提出對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行修正的修正系數(shù)。此時(shí)依據(jù)已有挖掘機(jī)在各種工況下的運(yùn)行時(shí)間比例作為修正系數(shù)的依據(jù)。由于我們對(duì)已有挖掘機(jī)的在各運(yùn)行工況下運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，故大型挖掘機(jī)的運(yùn)行時(shí)間比例具有較高的可信度。此外在挖掘機(jī)工作過(guò)程中，完全均載的情況是不存在的。所以這里將偏載比例為（0-0.25）的運(yùn)行工況視為相對(duì)均載，其他視為偏載。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得修正后的使用壽命為201126次。通過(guò)修正，可得到更加準(zhǔn)確的壽命預(yù)測(cè)，為設(shè)計(jì)提供更加準(zhǔn)確依據(jù)。

結(jié)語(yǔ)：對(duì)大型礦用挖掘機(jī)斗桿組件進(jìn)行兩種不同工況分析，采用分析方法是有限元靜力學(xué)，再結(jié)合相關(guān)的技術(shù)軟件對(duì)斗桿組件進(jìn)行仿真模型構(gòu)建，對(duì)疲勞壽命進(jìn)行對(duì)比性分析，確定斗桿組件發(fā)生疲勞破壞現(xiàn)象與部位受力有直接影響關(guān)系，調(diào)整斗唇邊緣、耳板、斗體、提梁鉸接處、斗唇截面處等部位的受力狀況都是改善斗桿組件疲勞壽命的重要環(huán)節(jié)，實(shí)際修正系數(shù)還需要結(jié)合大型礦用挖掘機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況而定，要以科學(xué)、有效為修正系數(shù)值擬定的基本原則，以保持大型礦用挖掘機(jī)斗桿組件使用壽命為目的，提高疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱金金.75m-3礦用挖掘機(jī)主要部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)及其有限元分析[D].太原理工大學(xué)，2015；

[2]賀建平.淺談WK-75型礦用挖掘機(jī)斗桿的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2014（7）.