煤礦斗鏈挖掘機配重臂支撐架（柱）的失效研究

任 斌

（陽煤集團有限責任公司三礦機電工區， 山西 陽泉 045000）

引言

極大的自身承重、工作負荷、持續開采的動態隨機性以及惡劣的工作條件，為露天采礦機器機制和結構失效的發生提供了“肥沃的土壤”。由于停機時間的原因，降低了露天礦機和系統的工作效率。除此之外，重要結構部件的失效可能導致露天礦機的崩塌。為了防止事故的發生，必須連續地檢查裝載最多的結構部件及其連接，即必須執行機器結構健康監測以及機構監測。

1 煤礦斗鏈挖掘機配重臂支撐架（柱）的常見問題

斗鏈挖掘機（BCE）ERs1000/20在某實例露天礦中使用。在多年開挖期間時，配重吊桿（CWB）支撐桁架的兩列凸緣周期性出現裂縫。這些裂縫被焊接修復后再次出現相同的位置，且越來越長，圖1所示。

圖1 斗鏈挖掘機（BCE）ERs 1000/20出現的裂縫示意

2 煤礦斗鏈挖掘機配重臂支撐架（柱）的失效分析

2.1 法蘭損壞的測試

通過肉眼進行裂紋區的視覺檢查?；A材料裂縫，焊縫金屬，以及在熱影響區觀察兩列凸緣，如圖2所示。

圖2 肉眼進行裂紋區的視覺檢查結果示意圖

樣品取自左側法蘭的一部分，進行基本的實驗研究包括：化學分析、拉伸和沖擊測試、宏觀硬度（5次測量平均宏觀硬度（HB）為165以及金相學測試。

2.2 原始柱頭應力狀態的數值識別

通過應用線性有限元方法（FEM）來確定結構臨界區的應力狀態。通過綜合所有結構件的三維模型，建立并展示了CWB支撐桁架的三維模型如圖3所示。

圖3 CWB支撐桁架的三維模型圖

臨界柱區域的三維模型，圖3中的框架細節，顯示了由4節點離散化的連續體四面體元素以創建FEM模型（370245個節點，1590103個元素），BCE屬于復雜結構，幾何構型可變，使得外部分析成為加載非常復雜的結構體。負載具有出色的動態性和隨機性，因此計算的負載是完全意義上的假設。根據代碼進行載荷分析，并采用軸向力Fa=3 000 kN作為代表性柱載荷[3-4]。

單向應力的最大值是在法蘭厚度減小區域和肋骨端部獲得的，如下頁圖4所示，關鍵區域棒的應力值為345MPa，高于允許值（270MPa）27.8%，并且非常接近通過測試獲得的屈服應力值。

2.3 重新設計與優化

為了減少應力集中的不利影響，柱頭進行了重新設計，如下頁圖5所示。從圖5可以看出，在原始柱頭結構SC1和SC2幾乎在相同位置作用（圖5-1），而在重新設計的柱頭中，它們錯位550mm（圖5-2）。除此之外，SC1從載荷引入的位置（螺栓連接，轉移關節），這在一定程度上減輕了應力集中效應。

圖4 CWB支撐桁架的計算模擬圖

圖5 CWB支撐桁架的結構優化設計

重新設計的柱頭離散化是通過與原始相同類型和尺寸的元素完成的列頭。

在設計立柱頭部修復和重建設計程序時必須在現場實現完整的程序，而不拆除BCE的子結構上層建筑通過提升CWB來確保關鍵區域的分散。使用安裝在頂部的液壓千斤頂實現臨時支撐的塔架。在建立可以進入子結構的臨時腳手架之后有必要安裝一種局部亞結構固定的工具。接下來拆除板，以使得能夠切割和移除損壞的柱的頭部。在重新設計的立柱頭部建造后與CWB支撐桁架結構的其余部分連接，對子結構的幾何形狀和焊接接頭進行了控制，并進行了適當的防腐蝕保護。應變儀方法用于在開采條件下實地測量。安裝前完成測量點的形成和測量系統初始狀態的確定，重新設計的柱子頭部處于完全不受負擔的狀態，準確識別它們的壓力。重建后測量是在BCE從修復地點到露天的旅行期間以及在土壤開挖期間完成的[5]。

將最大測量的應力值乘以由此計算的校正因子，我們獲得最大應力在BCE旅行期間臨界區的價值，顯然，在BCE開采期間重新設計的柱頭中的最大應力值低于允許的應力值。最后，圖4注意到有趣的是，結果指出了BCE期間的最大應力值旅行量大于挖掘過程中的約4.2%。

方案的設計方式要在現場條件下實現，沒有拆除任何BCE上層建筑組件。因此執行重建所需的時間是由于BCE停機時間縮短和間接成本大大減少。原位測量結果充分證實了柱頭重新設計概念的有效性。除此之外，他們還指出，在BCE旅行期間，考慮下部結構的應力水平高于土壤開挖期間。這個事實指出正確準備BCE旅行路線的重要性[6]。

3 結論

根據材料測試和數值應力識別的結果，在列頭臨界區對局部應力分布（或多或少）有不利影響，即：法蘭厚度減小、肋骨末端影響、受負載影響的橫斷面。因此，柱頭重新設計的關鍵是盡可能減小應力集中疊加的不利影響。結果指出重新設計的柱頭臨界區的最大應力值是1.54倍，比原來的柱頭高，也低于允許的應力值。最后，所提出的重建效率通過無故障開采來證實，本文實例的BCE大約有8.5×106t煤和1.8×106t的覆蓋層，符合全新設計的有效性。