WK12 型礦用挖掘機提升機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

朱宴南，趙炎龍，靳 潤，王朝華

1國家電投扎哈淖爾煤業(yè)有限公司 內(nèi)蒙古通遼 029199

2太原科技大學機械工程學院 山西太原 030024

礦用挖掘機廣泛應用于露天礦的開采作業(yè)[1]，據(jù)統(tǒng)計，全世界 2/3 的固體礦物資源采用露天開采，而露天采場中 80% 以上的剝離量和采掘量是用挖掘機械完成的。因此，礦用挖掘機是大型露天礦山開采的關(guān)鍵設(shè)備。礦用挖掘機工作過程分為鏟斗插入堆料、離開堆料、卸料、復位及行走 5 個動作，依靠推壓、提升、回轉(zhuǎn)、開斗、行走機構(gòu)和其他輔助機構(gòu)配合完成[2]。其中，提升與推壓機構(gòu)配合完成鏟斗插入堆料、離開堆料及卸料等動作[3-4]。

礦用挖掘機工作對象是復雜多樣的礦巖，物料特性和爆破質(zhì)量各不相同，工作中載荷突變性很大，在挖掘過程中易產(chǎn)生交變沖擊載荷、振動、電動機堵轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。因此，挖掘機工作中提升機構(gòu)支座始終承受著較大的沖擊交變載荷[5]，支座易產(chǎn)生聯(lián)接松動，導致減速機箱體開裂和潤滑油泄露，影響運轉(zhuǎn)[6]。

筆者針對 WK12 型挖掘機提升機構(gòu)支座存在的問題進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并利用有限元仿真技術(shù)進行新結(jié)構(gòu)的剛度和強度計算，解決了支座開裂和漏油問題，提高了工作可靠性。

1 提升機構(gòu)

提升機構(gòu)是鏟斗堆料及卸料的驅(qū)動部件，如圖1 所示。其安裝在挖掘機回轉(zhuǎn)中心后部，雙電動機驅(qū)動，提升電動機通過彈性聯(lián)軸器與提升減速機以及提升卷筒收放鋼絲繩來完成鏟斗的升、降運動。

圖1 礦用挖掘機提升機構(gòu)

提升機構(gòu)由提升電動機、提升軸Ⅰ、提升軸Ⅱ、提升卷筒軸、支座、箱蓋等組成，如圖2 所示。支座是提升機構(gòu)載荷傳動的支承結(jié)構(gòu)件，通過螺栓安裝在中部平臺上；主要承力部件包括左支架、右支架和中間支架，3 個支架上方的圓孔內(nèi)分別安裝軸承，且軸心與提升卷筒軸同心。安裝時，支座內(nèi)部與中部平臺聯(lián)接的所有螺栓需要按規(guī)定力矩緊固。

圖2 提升機構(gòu)結(jié)構(gòu)

鋼絲繩最大提升質(zhì)量為 120 t，左支架、右支架和中間支架分別承擔 30、30、60 t，挖掘機工作載荷突變，中間支架可承受 50 kN 的重力，以防止卷筒軸側(cè)向竄動。WK12 型礦用挖掘機提升機構(gòu)在突變載荷下，中間支架的剛度明顯不足。為此，筆者針對提升機構(gòu)的傳力特點，將中間支架結(jié)構(gòu)改為箱式結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 提升機構(gòu)中間支架改進

2 提升機構(gòu)支座力學性能分析

采用有限元分析對比原支座和新支座的剛度和強度，將圖3 所示支座結(jié)構(gòu)分別導入有限元軟件ANSYS 中，建立支座的有限元模型。材料選用普通鋼，密度為 7.85×103kg/m3，彈性模量為 210 GPa，泊松比為 0.3，設(shè)置單元尺寸為 25 mm。對左支架、右支架和中間支架分別施加 30、30、60 t 的軸承載荷，載荷方向與水平面夾角為 45°；對中間支架圓孔斷面施加 50 kN 的側(cè)向力，載荷方向沿軸心，約束支座底面自由度；采用四面體和六面體混合單元劃分網(wǎng)格，建立的有限元模型如圖4 所示。

圖4 支座有限元模型

經(jīng)過計算，得到原支座的位移和應力分布云圖，如圖5 所示。原支座的最大位移為 0.88 mm，位于中間支架的軸承上端蓋；最大應力為 103.89 MPa，位于中間支架與底座的螺栓連接處；左支架、右支架和中間支架的整體應力約為 20～50 MPa；其他區(qū)域的應力均低于 10 MPa，小于材料的屈服強度。這表明原支座的中間支架強度能夠滿足設(shè)計要求。

建立新支座的有限元模型，施加相同的材料屬性、載荷和約束條件，經(jīng)過計算，得到新支座的位移和應力分布云圖，如圖6 所示。新支座的最大位移為0.35 mm，位于中間支架的軸承上端蓋；最大應力為104.5 MPa，位于中間支架與底座的螺栓連接處；左支架、右支架和中間支架的整體應力分布趨勢及大小與原支座相近，均小于材料的屈服強度。這表明新支座的中間支架強度能夠滿足設(shè)計要求。

圖6 新支座的有限元分析結(jié)果

對比分析支座改進前后的力學特性，新支座的位移比原支座減小了 0.53 mm，表明新支座中間支架的剛度提高了 60.23%，新支座的最大應力與原支座基本相同，且應力分布趨勢保持一致，均小于材料的屈服強度，提高了結(jié)構(gòu)剛度。

3 結(jié)語

針對 WK12 型礦用挖掘機提升機構(gòu)支座因結(jié)構(gòu)剛度不足而引起的箱體開裂和潤滑油泄露問題，設(shè)計了一種箱形支座結(jié)構(gòu)，采用有限元分析對比改進前后支座的力學特性。結(jié)果表明，改進后，支座的剛度提高了 60.23%，且應力大小及分布與原支座保持一致，大幅提高了結(jié)構(gòu)剛度。