電鏟作為大型露天采礦的主要裝備之一，用于礦山表面物的剝離和礦石的采裝作業(yè)。按鏟斗容量可分為：1m3以下的小型電鏟，5m3以下的中型電鏟，15m3以下的重型電鏟和15m3以上的巨型電鏟。圖1是美國P&H公司4100XPC型電鏟。目前世界上能自主研制55m3以上巨型電鏟的企業(yè)，只有美國P&H公司、美國卡特彼勒、太原重工等三家，其中美國P&H公司全球市場占有率居世界第一位，我國的巨型電鏟仍主要依賴于進(jìn)口，因此提高國內(nèi)巨型電鏟的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平，具有重要意義。
圖1 美國P&H公司4100XPC型電鏟
1 電鏟的結(jié)構(gòu)及工作原理
電鏟主要由行走裝置、回轉(zhuǎn)框架、上部平臺和挖掘機(jī)構(gòu)四大部分組成，見圖2。電鏟的挖掘作業(yè)包括推壓、提升、回轉(zhuǎn)和卸料四個主要動作，其中，電鏟挖掘機(jī)構(gòu)的運(yùn)動包括提升運(yùn)動和推壓運(yùn)動。提升運(yùn)動是由提升電機(jī)帶動牽引鋼絲繩實(shí)現(xiàn)的，推壓運(yùn)動是通過齒輪或鋼絲繩推壓斗桿實(shí)現(xiàn)的，最后通過提升運(yùn)動與推壓運(yùn)動的配合完成挖掘過程。
圖2 P&4100XPC型電鏟三維模型
巨型電鏟的斗桿結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是卡特皮勒公司采用的網(wǎng)形截面斗桿的鋼絲繩推壓式結(jié)構(gòu)：另一種是美國P&H公司和太原重工采用的齒輪齒條的推壓式斗桿結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)減速機(jī)帶動推壓齒輪運(yùn)動，推壓齒輪和斗桿上的齒條產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而調(diào)整鏟斗的挖掘范圍和卸料位置。
電鏟在整個挖掘過程中鏟斗的挖掘力都是通過斗桿傳遞的，因此斗桿結(jié)構(gòu)的可靠性對安全生產(chǎn)和保障生產(chǎn)的連續(xù)性十分重要，要盡量防止斗桿在生產(chǎn)過程中發(fā)生彎曲和扭曲變形。
2 結(jié)構(gòu)建模
根據(jù)美國P&H公司與中國一重合作制造的4100XPC型電鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在Inventor中對電鏟進(jìn)行三維實(shí)體建模。為提高仿真過程的效率，在建模過程中適當(dāng)簡化了部分不參與挖掘力和挖掘阻力傳遞的零部件和對分析計(jì)算結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)。
4100XPC型電鏟的挖掘裝置主要由動臂、天輪、斗桿、鞍座、鏟斗、連桿、鏟斗提梁和提升鋼絲繩組成，如圖3所示。
圖3 挖掘裝置示意圖
3 挖掘裝置的運(yùn)動學(xué)分析
3.1 工況分析
在電鏟進(jìn)行挖掘作業(yè)過程中，斗桿的受力是復(fù)雜多變的。當(dāng)斗齒切人礦石時，沖擊載荷會通過鏟斗直接傳遞到斗桿上，因此只要鏟斗受到偏載就會造成斗桿的偏載。同時，斗桿兩側(cè)齒輪齒條傳動的不同步也會造成斗桿的偏載。
電鏟在裝載物料的作業(yè)中是提升動作和推壓動作的復(fù)合運(yùn)動，斗桿圍繞推壓齒輪做近似網(wǎng)周運(yùn)動。因此，當(dāng)挖掘阻力力臂最長時是斗桿的最危險(xiǎn)工況，即斗桿伸出最長時為斗桿的最危險(xiǎn)工況。由于鏟斗在空載和滿載挖掘時對斗桿的沖擊是不同的，本文分為8種工況對挖掘裝置進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真：
工況1：斗桿伸出最長，提升鋼絲繩以額定提升力提升，鏟斗滿載的額定提升工況。
工況2：斗桿伸出最長，提升鋼絲繩以額定提升力提升，鏟斗空載的額定提升工況。
工況3：斗桿伸出最長，左右兩側(cè)推壓力不對稱，兩側(cè)推壓齒條分別承受1/3和2/3推壓力，鏟斗滿載的額定提升工況。
工況4：斗桿伸出最長，左右兩側(cè)推壓力不對稱，兩側(cè)推壓齒條分別承受1/3和2/3推壓力，鏟斗空載的額定提升工況。
工況5：斗桿伸出最長，鏟斗側(cè)齒受到偏載，鏟斗滿載的額定提升工況。
工況6：斗桿伸出最長，鏟斗側(cè)齒受到偏載，鏟斗空載的額定提升工況。
工況7：斗桿伸出最長，左右兩側(cè)推壓力不對稱，鏟斗側(cè)齒受到偏載，鏟斗滿載的額定提升工況。
工況8：斗桿伸出最長，左右兩側(cè)推壓力不對稱，鏟斗側(cè)齒受到偏載，鏟斗空載的額定提升工況。
3.2 運(yùn)動學(xué)仿真
在Inventor中對8種工況進(jìn)行仿真需要根據(jù)4100XPC型電鏟的相關(guān)設(shè)備參數(shù)計(jì)算各驅(qū)動力的大小，并選擇力的作用點(diǎn)定義相應(yīng)的載荷。本文針對各主要載荷作如下定義：額定提升力通過鋼絲繩沿動臂天輪切線方向作用在鏟斗提梁上；額定推壓力通過推壓齒輪直接作用在斗桿兩側(cè)推壓齒條上；挖掘阻力和鏟斗側(cè)向力直接作用在鏟斗斗齒上；鏟斗內(nèi)物料的重力變化作用在斗體和斗門上，如圖4。根據(jù)在建模時定義的結(jié)構(gòu)材料，系統(tǒng)在仿真過程中會自動加載各部件的重力進(jìn)行計(jì)算，模擬挖掘機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動過程中的受力情況。
圖4 挖掘裝置的外載荷示意圖
由于在挖掘過程中鏟斗是一直運(yùn)動的，作用在鏟斗側(cè)齒上的橫向挖掘阻力Wk的最大值是個變化值，Wk=MT/R。其中MT是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最大制動力矩，R是鏟斗側(cè)齒受力點(diǎn)到電鏟回轉(zhuǎn)中心的距離，在挖掘過程中是一個變化值。通過電機(jī)制動功率計(jì)算出MT=2.06×105N·m，將Wk定義為一個和R相關(guān)的函數(shù)進(jìn)行運(yùn)動仿真。最后，將最大挖掘深度和最大挖掘高度作為運(yùn)動仿真的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，來模擬各工況下挖掘裝置的運(yùn)動。
在仿真完成后，根據(jù)斗桿各鉸點(diǎn)在各時刻的受力曲線，選擇各鉸點(diǎn)受力最大的時刻，將斗桿導(dǎo)入應(yīng)力分析環(huán)境進(jìn)行有限元分析。
4 有限元分析
在對斗桿進(jìn)行有限元分析前，需要對網(wǎng)格劃分進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)斗桿的結(jié)構(gòu)形式，外力主要通過兩側(cè)的齒條及4個分別與鏟斗和連桿相連的鉸點(diǎn)作用在斗桿上。在劃分斗桿網(wǎng)格單元時，將以上主要受力位置和焊接接縫處的單元設(shè)置的相對小一些，如圖5。為了讓計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，本文將平均元素大小設(shè)置為0.1，把斗桿劃分成了107234個單元進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1。
圖5 斗桿的有限元模型
表1 各工況中斗桿危險(xiǎn)時刻所受應(yīng)力情況
5 仿真結(jié)果分析
通過對比8種工況下的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)斗桿在第8種工況中所受到的應(yīng)力和產(chǎn)生的形變最大，達(dá)到了320MPa和118.2mm，如圖6。但由于動臂對斗桿變形趨勢的支撐和約束，斗桿尾部的彎曲變形僅為理論值，實(shí)際工作中不會產(chǎn)生變形。
圖6 工況8條件下斗桿受應(yīng)力最大時刻的分析結(jié)果
通過對比各工況的最大應(yīng)力值，發(fā)現(xiàn)鏟斗側(cè)齒受到橫向偏載的工況對斗桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響最大，斗桿與鏟斗連接鉸點(diǎn)處的變形趨勢較大，同時，推壓齒輪推壓齒條的位置及扭矩筒與兩側(cè)箱梁連接處應(yīng)力也較大。這與巨型電鏟在使用過程中斗桿的疲勞破壞位置基本相同，這說明仿真結(jié)果是基本合理的。
美國P&H公司在制造斗桿時主要采用的是屈服強(qiáng)度為690MPa的PH166型鋼板和屈服強(qiáng)度為345MPa的PH180型鋼板，兩種鋼板的屈服強(qiáng)度都滿足了相應(yīng)位置的實(shí)際屈服強(qiáng)度需求。
隨著國內(nèi)煉鋼工藝水平的提高，國內(nèi)生產(chǎn)的高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)合金鋼板屈服強(qiáng)度也能夠達(dá)到600MPa以上，即使考慮動載荷沖擊的安全系數(shù)，國內(nèi)鋼板的屈服極限也能夠滿足斗桿的強(qiáng)度要求，因此可以認(rèn)為選用國產(chǎn)鋼板制造巨型電鏟的斗桿也是可行的。
6 結(jié)論
本文對美國P&H公司4100XPC型電鏟進(jìn)行了三維建模，選擇危險(xiǎn)工況對斗桿進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真和有限元分析；通過對仿真結(jié)果的分析完成了對巨型電鏟國產(chǎn)化設(shè)計(jì)的探索，并為斗桿的國內(nèi)制造和維修提供了一定的參考依據(jù)。然而，要真正意義上實(shí)現(xiàn)巨型電鏟的國產(chǎn)化，還需綜合考慮機(jī)構(gòu)模態(tài)、焊接材料和焊接工藝等因素，并通過制造樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)來檢驗(yàn)相關(guān)理論計(jì)算數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步的優(yōu)化和完善設(shè)計(jì)。
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本文標(biāo)題：基于Inventor的巨型電鏟斗桿有限元分析
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