斗輪挖掘機履帶底盤有限元結構分析

齊善朋

（遼寧軌道交通職業(yè)學院，遼寧 沈陽 110023）

斗輪挖掘機是一種適用于露天礦層采掘和物料搬運的常用設備，斗輪挖掘機具有連續(xù)化作業(yè)、作業(yè)范圍廣、生產效率高等一系列優(yōu)點，應用于大型露天礦山的開采作業(yè)，主要應用在露天礦層的土壤剝離、礦料采掘、礦料搬運、物料裝載作業(yè)等。此外，斗輪挖掘機在散料堆取料場、大型土建和土石方工程中也逐漸得到廣泛的應用。斗輪挖掘機的工作原理是物料經過其前端斗輪挖掘機斗體的挖掘切削作業(yè)，該挖掘切削作業(yè)以挖掘臂架回轉和斗輪體旋轉的復合運動軌跡來進行作業(yè)，然后經過斗輪旋轉提升后物料在斗輪頂端落至輸送皮帶機上再運輸?shù)街付ǖ攸c，實現(xiàn)物料的切削和運輸。

1 斗輪挖掘機的組成

斗輪挖掘機是能夠進行高效連續(xù)作業(yè)的工程機械，斗輪挖掘機的斗輪體上裝載著多個挖斗裝置，它利用挖掘臂架的回轉和斗輪體自身旋轉組成復合運動，使鏟斗能夠持續(xù)挖掘硬質物料。它的結構主要由運行裝置、走行機構、旋轉裝置及液電氣系統(tǒng)和結構輔助系統(tǒng)組成。運行裝置包括斗輪體、挖掘臂架、受料輸送機、排料裝置及其他輔助裝置；旋轉裝置則由回轉支撐結構和多個驅動電機等組成?；剞D結構的上部連接臂架結構，挖掘臂架與臂架梁連接，斗輪挖掘機利用回轉結構的旋轉帶動挖掘臂實現(xiàn)回轉作業(yè)。

2 斗輪挖掘機履帶底盤的作用

斗輪挖掘機履帶底盤是履帶式挖掘機的支承裝置，起到支承挖掘機所有機構的質量以及承受斗輪挖掘機在工作過程中所受的力，并能實現(xiàn)斗輪挖掘機工作性和轉場性的走行移動。走行機構由驅動電機、履帶板、走行車輪等組成，當驅動電機運轉時帶動主動輪旋轉，同時帶動履帶運動來實現(xiàn)斗輪挖掘機整體的向前運行。

3 斗輪挖掘機履帶底盤建模分析

根據(jù)斗輪挖掘機履帶底盤設計圖紙和國家鋼結構設計規(guī)范(GB 50017—2010)，建模時履帶底盤板殼結構需要遵循如下原則：

（1）各底盤板件的厚度方向以各個板厚的中分面位置來確定。

（2）因結構和工藝需要加裝的肋板或者筋板，對仿真計算結果分析的影響可忽略不計，在建立仿真有限元模型時可以不予考慮。

（3）在真實受力中，各個鋼板不僅要承受拉壓應力，還承受彎矩，因此有限元分析時板單元類型需要采用彎曲板單元。

履帶底盤部分包括車架和履帶架，車架和履帶架通過連接墊板和連接座連接，但是連接墊板的結構不利于安裝，本文采用履帶架法蘭與車架法蘭連接，模型如圖1 所示。

圖1 履帶底盤有限元模型

履帶底盤部分由鋼板組焊而成，根據(jù)履帶底盤的結構特點和受力分析情況，在有限元分析時把履帶底盤鋼結構各部分均等效為彈性板單元，因此履帶底盤部分按板殼結構(SHELL63)來進行建模，計算三維模型參見圖2。履帶底盤部分的板構件材料為Q345，采用SHELL63 單元，按中性層建模，點單元采用MASS21 單元，對其劃分網(wǎng)格，共有58 348 個單元，56 380 個節(jié)點。

其約束情況為：

（1）小轉臺連接面上的所有節(jié)點剛化到其中心點，在中心點處加載。

（2）大轉臺連接面上的所有節(jié)點剛化到其中心點，在中心點處加載。

（3）承重輪處，對應軸孔圓上節(jié)點剛化到兩圓心連線中心點上，在中心點處施加約束。

（4）法蘭連接處，對應圓孔上節(jié)點剛化到各自中心點，對兩中心點進行耦合，只放開Z 向。

（5）連接座處，將連接座與車架連接板接觸線分為對稱的兩段，分別剛化后進行耦合，只放開X 向。

施加約束后如圖2 所示。

圖2 履帶底盤網(wǎng)格劃分及約束

4 工況加載情況

在履帶底盤的強度校核中，當取料臂幅度最大（與地面水平）、取料臂與取料臂成90°時，履帶底盤的受力最不利，因此只計算這種情況；共有4 種載荷狀態(tài)：主載荷、附加載荷、非工作風載和物料堵塞；每種載荷狀態(tài)計算三種工況：取料臂與下車縱軸線成0°、45°、90°。這12 種工況的載荷組合如表1 所示。

表1 載荷組合

5 有限元計算結果和分析

綜合履帶底盤以上12 種工況，工況3 中取料臂與下車縱軸線成90°時斗輪挖掘機小轉臺結構最大應力為286.044 MPa，最大應力出現(xiàn)的位置主要有承重輪處、連接座處及車架內豎板下邊緣處，如圖3所示。但區(qū)域非常小，存在應力集中，產生原因是由于此處結構限制導致的網(wǎng)格質量問題以及約束位置剛性區(qū)域導致的剛度突變，可以忽略，因此履帶底盤結構強度滿足要求。其他區(qū)域小于所用材料的許用應力，符合強度要求。該工況中履帶底盤位移為3.245 mm，如圖4 所示，也滿足材料要求。

圖3 工況3 中90°時履帶底盤等效應力云圖

圖4 工況3 中90°時履帶底盤位移分布

通過對履帶底盤有限元模型的受力分析表明，履帶底盤的強度、剛度都小于許用值，部分應力集中對部分可以通過優(yōu)化設計，去除應用集中影響，起到既滿足使用要求，又減少履帶底盤自身質量和節(jié)省材料的目的。

本文為履帶底盤的設計進行了有限元分析，節(jié)省了設計時間，提高了設計質量，同時也為斗輪挖掘機整體設計提供了參考和幫助。