邊坡清篩機挖掘斗輪鏟斗國產化研究

劉軍

摘 要：對BS1200邊坡清篩機挖掘斗輪鏟斗的挖掘阻力進行計算并做有限元分析，對鏟斗國產化進行論證，這對于降低生產及日常使用成本有著極其重要的意義。

關鍵詞：挖掘斗輪；鏟斗；挖掘阻力；有限元分析；鏟斗材質

BS1200型邊坡清篩機主要用于線路兩側道床邊坡的清篩作業，挖掘斗輪是一種大型、高效的機械設備。在挖掘過程中，由于鏟斗在作業過程中不斷磨耗，因此在使用中，不可避免會出現損壞，因此更換鏟斗的費用也需納入使用全壽命成本中進行考慮。同時，在生產過程中，也可以逐步考慮國產化。因此，文章此處對挖掘斗輪鏟斗部分國產化進行研究、討論。通過計算挖掘過程中鏟斗受到的挖掘阻力并分析得出鏟斗應力圖及形變圖。初步分析鏟斗材料的選擇與優化。

1 鏟斗受力分析

鏟斗以機械方式將道砟從道床上剝離出來，這是一個很復雜的過程，在此過程中，道砟發生松散及一部分受到壓縮。因此產生阻力及道砟與道砟間的摩擦力和道砟與鏟斗間的摩擦力。

在挖掘過程中，道砟與鏟斗切削刃上的力稱為切削阻力。為了研究方便，我們把鏟斗和切削刃與道砟之間的摩擦力統一當做切削阻力進行研究。切削力與切削裝置作用在土壤上。其大小和土壤切削阻力大小相同，方向相反。道砟剝離后，向鏟斗內流動，流動中，道砟與道砟和道砟與切削裝置之間產生摩擦。同時，流動受到鏟斗后壁阻礙還會產生附加阻力。因此，切削裝置還要克服這些摩擦力和附加阻力。這些附加阻力形成裝石阻力。當鏟斗有效容積不變時，增大切屑厚度h和減小切屑寬度b，或者保持b/h的比值不變而增大切屑斷面面積A，都可以減小切削阻力。但h太大或b太小，由于側壁的影響，阻力將會增加。較合理的尺寸是b>50cm，h=（0.1～0.33）b。在這種情況下，切削厚度變化對阻力的影響很小，可以忽略不計。

邊坡清篩機挖掘鏟斗參與挖掘過程時，其有效挖掘尺寸為斗輪厚度B=770mm，H約為200mm，H=0.26B，因此，在計算中忽略切削厚度變化對阻力的影響。根據資料提供公式：

式中：C-表示道砟的硬度系數，IV級土取C=160～350，在此取350；R-鏟斗的切削半徑，鏟斗斗尖至與斗輪連接處的距離，單位厘米，R=45cm；？漬max-鏟斗在挖掘中總轉角的一半；查資料取等效？漬max=60°；？漬-鏟斗瞬時轉角

kb-切削刃寬度影響系數，kb=1+2.6B，其中B為鏟斗寬度，單位為米。kb=3.002

ka-切削角影響系數，ka=1.3

kz-無斗齒系數，kz=1

kx-斗側壁厚度影響系數，kx=1+0.03S，S為側壁厚度，單位為CM。初步計算取kx=1.1

D-切削刃擠壓土壤分力，斗容量小于0.5立方米D應小于10000。

取10000。則W1max=58.86KN。冗余量取0.2。Fw1=1.2W1max=70.63KN。

斗型裝置的切向挖掘阻力Fw1和法向挖掘阻力Fw2的關系可用系數ξ0表示：Fw2=ξ0W1max。ξ0取值0.4。Fw2=28.25KN。

則鏟斗收到合力大小為：W=76.05 方向與法向夾角22°。

實際挖掘中，斗輪120°范圍內包含8個鏟斗。因此，總挖掘阻力：Wa≈8W=608.4KN。實際中各斗輪受力方向不同。分量到挖掘阻力上，不能達到計算最大值。同時由于邊坡清篩機挖掘時，具有一定前進速度，又客觀上增加了實際挖掘阻力，通過計算值與實測挖掘阻力曲線對比，計算結論與測定挖掘阻力相當（如圖1所示）。

2 鏟斗材料的選擇

鏟斗受力有限元分析（材質Q345）（如圖2所示）：

通過對鏟斗受力的有限元分析：Q235同樣能夠滿足鏟斗強度要求，但由于與Q345價格相差不大，且Q345經滲碳淬火后其表面硬度及心部韌性能更好的滿足鏟斗工作特性要求。因此鏟斗材料選用Q345。但由于道砟多為特級花崗巖，其莫氏硬度普遍為6-7。屬于較為堅硬材質。為提高鏟斗耐磨性，只能盡量提高鏟斗表面硬度，盡量使鏟斗處于軟磨料磨損狀態，提高其使用壽命。16Mn經碳氮共滲后淬火，其表面硬度能達到HRC48以上。因此整體選用低合金鋼16Mn，下部唇板及側部護板為進一步增加壽命采用NM400。主要是提高其表面硬度和耐磨性。NM400性能整體優于16Mn，因此為方便分析，有限元分析時整體材質選用16Mn。

3 強度校核

3.1 強度校核

從強度校核計算可知：鏟斗有足夠的強度，鏟斗的變形很小，最大位移量為0.176mm。總體來說，鏟斗側壁頂部受到應力最大，但仍遠遠低于許用應力，大部分區域都低于55N/mm2。因此，斗輪整體強度滿足要求。

3.2 結果分析

（1）斗體前部的唇板和兩側的護板對改善鏟斗的挖掘性能和提高斗體的使用壽命起到了很大作用。（2）鏟斗在挖掘過程中基本不具有柔性，鏟斗變形量很小。因此，挖掘斗輪結構需有緩沖裝置，以緩解力的作用，增加運用安全性。（3）以上計算是在鏟斗簡化模型上進行的。因此，鏟斗的實際強度仍有較大冗余。只是在計算分析中未考慮螺栓連接強度，在實際選用中還需另行考慮、選擇。同時，網格劃分的精確程度不同，計算精度存在一定的偏差，但總體不影響對鏟斗整體強度的分析結果，完全可供設計參考。

參考文獻

[1]同濟大學.單斗液壓挖掘機[M].中國建筑工業出版社.

[2]高衡，張全根.液壓挖掘機[M].中國建筑工業出版社.

[3]吳慶鳴，何小新.工程機械設計[M].武漢大學出版社.

[4]阮九章.斗輪挖掘機的工作裝置[M].煤炭工業出版社.