BW2000斗輪挖掘機取料臂有限元分析

齊善朋

摘要：斗輪挖掘機通過取料臂前端的斗輪進行挖掘取料，因此取料臂的設計合理與否直接影響斗輪的切削取料能力和設備的正常運行。利用ANSYS軟件對BW2000斗輪挖掘機取料臂進行建模和有限元分析，以期為取料臂具體結構設計提供理論依據和改進建議。

關鍵詞：斗輪挖掘機；取料臂；ANSYS；有限元分析

中圖分類號：TD422.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）08-0014-03

斗輪挖掘機常用于露天礦和大型土方工程中，完成采、運、排連續開采工藝。其作業內容包括大量土方的挖掘、礦場的剝離與采掘，以及大型料場的裝卸作業，還可直接挖掘較堅硬的土壤。斗輪挖掘機具有生產能力大、效率高、適應復雜礦層進行選采、運輸坡度大、易實現現代化管理等優點，在國外工業發達國家被普遍采用。

1 斗輪挖掘機的主要結構及工作原理

斗輪挖掘機由工作裝置、轉臺和行走裝置等部分組成。工作裝置包括斗輪、取料臂及其懸掛裝置、帶式輸送機和卸料裝置等。斗輪有輪式和球式兩種，前者用于端面挖掘，后者用于側面挖掘。轉臺上裝有動力裝置、傳動操作系統、回轉裝置、變幅機構、支承架以及附屬設備。

斗輪挖掘機是利用裝于取料臂前端轉輪上的多個鏟斗連續挖掘的多斗挖掘機。它以斗輪轉動和取料臂隨轉臺勻速回轉的復合運動進行挖掘作業，斗輪上的鏟斗自下而上進行切削礦層并裝斗，當鏟斗轉至上部位置時，靠自重將礦料卸于帶式輸送機上輸出。作業時挖掘機不行走，動臂的傾角由變幅機構調整，以適應分層挖掘作業。有的斗輪挖掘機動臂長度還可改變。當停機點弧形工作范圍內的土壤全部挖掘工作完成后，挖掘機向前運行一段距離，再進行挖掘工作。

在挖掘作業時取料臂需要承受不同工況下鏟斗上的橫向力、側向力以及風力等外力作用，是斗輪挖掘機主要的受力構件之一。取料臂的設計合理與否直接影響著斗輪的切削取料能力和設備的正常運行，因此取料臂的設計至關重要。本課題利用ANSYS軟件對BW2000斗輪挖掘機取料臂進行輔助設計。

2 取料臂模型建立及有限元分析

2.1 建立取料臂結構有限元模型

采用ANSYS軟件分析取料臂架結構的強度。建模時板殼結構遵循如下原則：1） 各板件厚度方向的位置以板厚中分面位置來確定；2） 由于為保證焊接工藝的板邊緣對計算結果影響很小，在建立有限元模型時不予考慮；3） 各板不僅承受拉壓應力還承受著彎矩，因此有限元分析時單元類型采用彎曲板元。

臂架主體結構按板殼結構（SHELL63）建模，空間油缸部分按桿單元（LINK8）建模，角鋼和槽鋼部分按梁單元（BEAM188）建模。劃分后共得節點59 211個。

2.2 作業工況分類

工況一：取料臂承受主要載荷，臂架仰角為0°；工況二：取料臂承受附加載荷，臂架仰角為0°；工況三：取料臂承受特殊載荷（料槽堵塞），臂架仰角為0°；工況四：取料臂承受特殊載荷（料槽堵塞），臂架仰角為18°；工況五：取料臂承受特殊載荷（料槽堵塞），臂架仰角為-18°；工況六：取料臂承受特殊載荷（斜坡碰撞載荷），臂架仰角為0°；工況七：取料臂承受特殊載荷（非工作風載荷），臂架仰角為0°。

2.3 載荷施加

設備自重載荷通過重力加速度的方式施加；回轉啟動及制動時的慣性力以取料臂相對于回轉支撐中心回轉時的角加速度的形式施加；設備傾斜載荷以重力加速度的y方向分量的形式施加；皮帶張力和驅動滾筒扭矩在頭部滾筒和尾部滾筒軸承座處建立的剛性區域的中心節點處施加；在各個托輥與臂架結構連接處建立質量點，托輥自重、皮帶自重、物料載荷以及膠帶的積垢載荷均以質量的形式施加到質量點上；斗輪和驅動機構的重力也以質量點的形式施加；挖掘力施加到兩個斗輪軸承座上的剛性區域中心結點上；扭力臂的反力施加到扭力臂支座上的剛性區域中心結點上；料槽堵塞載荷以改變相應質量點質量的形式施加；斜坡碰撞載荷施加到臂架上參與碰撞的區域的結點上；工作風載荷和非工作風載荷平均施加到臂架側面的多個關鍵點上；取料臂±18°仰角產生的載荷以重力加速度x方向分量的形式施加。

2.4 約束施加

在取料臂兩個后鉸點約束除繞y軸轉動外的其余5個自由度；在油缸鉸點施加x，y，z 3個方向的位移約束，如圖1所示。

3 計算結果分析

有限元計算結果顯示，取料臂承受料槽堵塞特殊載荷工況（即工況四）時，結構應力最大。在此載荷下，計算取料臂水平和±18°仰角3種工況，結果表明在水平狀態下臂架結構應力為最大，因此其余載荷工況都只計算臂架水平時的應力狀態（如圖2所示）。

工況四中取料臂最大綜合位移76.6 mm，最大應力484.4 MPa（如圖3所示）。

取料臂材料采用60鋼，此工況下腹板許用應力[σ]=600/1.2=500.0 MPa，翼緣板許用應力[σ]=600/1.3=461.5 MPa。去除有限元建模中因為beam單元與shell單元連接處產生的應力集中（實際中并不存在），其余部分應力基本都在400 MPa以下，臂架強度滿足要求。

4 結構改進

雖然取料臂通過有限元分析滿足了強度要求，但考慮到在建模時經過一定的結構簡化，對比取料臂應力云圖，對應力較大的部位做出以下結構更改：1） 取料臂前端中間梁延伸至其后面鉸耳處的橫梁上，使其能夠參與承載。2） 取料臂前端左右兩側縱梁的下蓋板的斜率均改為和中間梁下蓋板斜率一致。3） 對斗輪驅動機構側的縱梁，減小其彎折程度，箱型結構從扭力臂支座處彎折，一直延伸到鉸耳處的橫梁。4） 兩側縱梁的上下蓋板均改為16 mm厚。5） 在與斗輪軸軸承支座相連的結構上加筋板。6） 扭力臂支座表面與上蓋板平齊，筋板貫穿梁的箱型結構。7） 在需要輸送帶穿過的實腹板上開孔，保證皮帶能夠通過。

取料臂上有斗輪驅動機構一側的縱梁全部采用箱型截面，從扭力臂支座處開始彎折，一直延伸到輸送帶驅動滾筒的軸承座固定處，截面平滑過渡。注意防止與L型梁內側干涉。

結構改進后的取料臂如圖4所示。

參考文獻

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Abstract： Bucket-wheel excavator excavates and reclaims by bucket-wheel at the front of feeding arm， therefore if feeding arm designed reasonably or not influences the cutting reclaim ability of bucket-wheel and normal operation of the equipment directly. Modeling and finite element analysis on excavator feeding arm was conducted by taking advantage of ANSYS software， so as to provide theoretical basis and suggestions for improvement for the design of feeding arm concrete structure.

Key words： bucket-wheel excavator； feeding arm； ANSYS； finite element analysis