12m3机械式挖掘机起重臂的设计与应用

【前言】12m3机械式挖掘机起重臂的设计与应用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。地处小兴安岭境内的黑龙江省伊春钼矿，属于高纬度高寒地区，作业环境十分恶劣，冬季最低气温达到-43.1°，并且昼夜温差大，对设备的要求高。如何解决低温环境对设备的影响，保证设备在低温环境下的正常工作。同时要求设备具有适用性强、生产效率高、节能降耗等优点。 2...

摘 要：介绍了一种机械式挖掘机的主要结构形式和特点，重点阐述了起重臂的整体结构形式，并结合有限元仿真分析软件对受力最大的工况进行建模分析。设备自组装完成投入使用以来，整机结构安全可靠，实现了设备的设计目标。

关键词：机械式挖掘机；起重臂；有限元分析

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.047

1 概述

机械式正铲挖掘机又称电铲，是利用齿轮齿条、钢丝绳滑轮组等传动件的单斗挖掘机，是露天矿生产的主要挖掘设备，其特点是作业效率高，使用寿命长，能适应恶劣的矿山工作环境。露天采矿是当今世界普遍采用的一种采矿方式，开采量大，能够适应对矿物资源需求量日益增长的需求，比井下开采效率高5～10倍，而成本只有井下开采的1/2～1/4，容易实现自动化采矿，生产安全，经济效益好。

地处小兴安岭境内的黑龙江省伊春钼矿，属于高纬度高寒地区，作业环境十分恶劣，冬季最低气温达到-43.1°，并且昼夜温差大，对设备的要求高。如何解决低温环境对设备的影响，保证设备在低温环境下的正常工作。同时要求设备具有适用性强、生产效率高、节能降耗等优点。

2 主要结构特点

WKH-12型机械式正铲挖掘机是专门为露天矿开采设计的挖掘设备，通过提升机构、推压机构、回转机构、行走机构和开斗机构来实现整个挖掘工作循环。其主要技术参数为：标准斗容量为12m3，最大提升力1079KN，最大推压力639KN，最大爬坡能力18°，履带最大牵引力2060KN，完成一个工作循环的时间为29S，生产效率高。

WKH-12型机械式正铲挖掘机由工作装置、上部机构、下部机构等三部分组成。主要由铲斗、斗杆、起重臂及推压机构、底架梁、回转平台、双脚支架、辊盘、履带装置、机棚、司机室等部分组成（图1）。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，铲斗为焊接式结构铲斗，主要由高强耐磨钢板焊接而成。铲斗与斗杆之间通过销轴连接，起重臂及推压机构通过齿轮齿条推动斗杆挖掘。这三个部件作为主要工作装置完成整个挖掘过程的推压和提升动作。

3 起重臂及推压机构

起重臂及推压机构（图2）作为工作装置中的主要受力部件，主要由起重臂、中间轴、推压机构、缓冲器、起重臂平台、顶部滑轮等组件组成。

起重臂是由具有低温冲击韧性的低合金高强度钢板制造的箱型焊接结构件，采用变截面的组合梁结构，为保证箱型结构的稳定性和局部强度要求，箱梁内部设有横向隔板。起重臂与回转平台采用大跨距销轴联接的结构型式，现场安装维护方便。由起重臂下盖板边缘延伸出的保护梁，既可以提高起重臂的强度和刚度，又起到了限制斗杆在挖掘时左、右摆动的作用，改善了推压齿轮和齿条的啮合状态。起重臂下部的缓冲装置用来防止铲斗快速运动可能对起重臂造成的碰撞损伤。

推压机构作为主要工作机构布置在起重臂的中下部，采用两级齿轮传动，电机高速端设有气动盘式制动器，安装简单可靠，维护量小。并设置有力矩限制器来保护设备，当力矩超过设定的最大力矩时，力矩限制器会产生相对滑动来释放能量。

WKH-12挖掘机采用的是齿轮齿条推压斗杆的刚性型式，相对于钢丝绳推压机构，其主要优点表现在如下方面：切削效果好，可以适应爆炸性差、松散度差、根底多、大块多的作业条件，铲装效率高，与提升动作配合灵敏。但是由于整个推压机构的重力和推压力都作用在起重臂上，这就要求起重臂要有足够的强度。

4 有限元分析

4.1 计算工况

单独对起重臂的主结构进行有限元分析，在计算工作装置的各个部件时，在整个工作循环过程中，由于选择工况的不同，各部件的受力载荷也不同。

对于起重臂而言，分析整个工作循环，选取受力最大的工况进行计算。起重臂受力最大的工况为：起重臂处于最小倾角45°，此时斗杆全部伸出，其方向垂直于起重臂中心线，此时进行挖掘，起重臂受力最大。

此工况下的受力情况有：推压机构的最大推压力T和起重臂的自重G对其造成的弯矩最大，而提升机构的最大提升力Qmax及绷绳拉力S对其造成的轴向压力最大。

4.2 有限元模型的建立及边界条件

起重臂的主结构主要由耐低温的钢板焊接而成，选用shell63壳单元和梁单元进行模拟，Shell63单元具有弯曲和薄膜特性，每个节点具有6个方向的自由度。将起重臂进行一定的结构简化，建立其三维模型，并进行网格划分，得到起重臂的有限元分析模型。

WKH-12机械式正铲挖掘机实际工作中起重臂底部支撑处采用大跨距销轴铰接，因此约束其X、Y、Z的位移，释放其转动约束；另外，模拟起重臂顶部绷绳拉力，约束其X、Y、Z的位移。起重臂有限元模型外力载荷主要有：卷筒周边拉力P和最大提升力Qmax，二者作用至起重臂顶部滑轮处，分解至有限元系统的轴上；推压轴处起重臂的最大推压力T，方向垂直于起重臂中心线，分解至有限元系统轴上；以惯性加速度施加整体重力，考虑整个挖掘动作的实际工作情况，振动比较大，动载系数取2进行计算。起重臂整体约束及载荷图如图3所示。

4.3 有限元计算结果分析

在起重臂受力最大的工况下，经过有限元计算得到的最大应力云图如下图所示。其主结构采用的材料主要为A633D，强度安全系数取n=1.34，对于板厚δ≤65mm板的屈服极限是345MPa，因此，该材料的许用应力[σ]=345/1.34=257MPa。

由图4可知，起重臂最大应力为250MPa，分布在起重臂上部，且范围很小，为局部应力集中，最大应力处已通过结构过渡优化处理，并且对局部位置进行了结构圆滑处理。其余部分绝大部分应力是200MPa左右，均在许用应力范围内，因此起重臂的结构强度满足要求。

5 结束语

通过选取最大受力工况计算可知，起重臂整体结构安全可靠，能够满足现场使用要求。WKH-12机械式挖掘机已经成功应用于伊春钼矿的开采，成为伊春露天钼矿开采的主力军，为伊春钼矿的稳定生产打下了基础。整机设备结构安全可靠，不仅提高了工作效率，降低了劳动强度，而且使用的单位成本低，维护量小，具有显著的社会、经济效益。

参考文献：

[1]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[2]闫书文.机械式挖掘机设计[M].北京：机械工业出版社，1982.

[3]成大先等.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]何经良.机械式挖掘机工作与行走装置机构性能研究[D].上海：上海交通大学机械与动力工程学院，2010.