关键词 电动挖掘机 底架梁 受力
1 前言
分析水厂铁矿是国内特大型（大于2000万t/a）露天磁铁矿，每年矿岩采剥总量达5000万t以上。正常情况下采用矿车（TEREX85t、贝拉斯130 t电动轮和SGA170矿车）与输送带组成半连续式运输。采掘车间装卸矿岩石的工作则由11台电动挖掘机完成，其中WK-10B（10m3）型电动挖掘机10台，美国P&H2300（16.8 m3）一台，少量WK-4型（4m3）电动挖掘机只是作为辅助设备。
目前电铲的发展趋势是大型化、自动化，主流设备斗容已发展到10 m3、16.8 m3甚至更大规格。但是，在某些小规模矿山，四立电铲应用还是比较普遍，并且抚挖的主流产品还是四立铲。干选车间现在就是应用了四台WK-4铲，配合77t矿车进行生产。
在使用过程中，由于自重、长期作业产生的疲劳，以及由于爆破质量差、底板不平等原因造成作业过程中的冲击负荷，经常导致起重臂、转台及底架梁、铲具等结构部件产生裂纹，导致部件失效，造成巨大的备件及停机损失。
由于电动挖掘机在矿山的应用已达百年以上，其自身的改进还在不断进行之中，除生產厂家外，各矿山企业也在不断摸索、完善和改进设备。根据《矿山机械》等期刊发表的论文看，各用户就推压机构、回转机构及铲杆等部件和机构在进行研究和完善。本课题主要是对铲杆进行力学分析，应用ANSYS有限元软件模拟铲杆的应力与应变，得出铲杆失效的原因。
2 WK-4型电动挖掘机
2.1 WK-4电铲概述
WK-4电铲的主要组成有工作装置、回转装置和履带行走装置三大部分组成。它的作业循环是：挖掘，满斗提升回转，卸载，空斗返回。
WK-4电铲挖掘物料的过程是：当电铲作业时，机器靠近掌子面，铲斗的挖掘点位于推压机构的正下方的工作面底部，斗前面与工作面的交角为45°。铲斗通过提升钢丝绳和推压机构的联合作用，使其作自下而上的弧形曲线运动，使斗刃在切入物料的过程中，把一层物料切削下来。
WK-4电铲的运动轨迹是一条复杂的曲线，它决定于物料的性质和状态，铲斗切削的状态以及铲斗提升和推压的速度。在理想状态下，斗齿挖掘的轨迹的开始段近乎水平面，而后，要求斗杆以较大的速度外伸和以较大的速度提升。随着铲斗的举升，推压速度下降，待斗齿处于与推压机构同一水平高度时，推压速度降为零。铲斗的提升绳拉力几乎保持一个定值。所以，斗齿的运动中的后一段轨迹是一段圆弧形曲线。
2.2 WK-4电铲主要参数
铲斗容量 4（4.6） 动臂倾角45° 动臂长度 10.5m 铲杆长度 7.29m
推压型式 齿轮―齿条式 工作重量（含配重） 205T 履带宽 0.9m 回转速度 3-3.5 r/min
爬坡度 12° 提升速0.885m/s 推压速度 0.56 m/s 推压速度 0.56 m/s
电源电压 3000 V或6000 V 最大挖掘半径14.4 m 最大挖掘高度 10.1 m 最大挖掘深度 2.92 m
最大卸载半径12.65 m 最大卸载高度 6.3 m 机棚高度 5.475 m 回转台高度 2.365 m
履带对地平均压力2.4 kg/cm2 行走速度 0.42 km/h（最大行走速度为7.83 km/h）。
平衡重30—36T（30T适合4m3电铲，36T适合4.6m3电铲）。
最大提升力50.8T（最大提升速度下的提升力为17.1T）。
最大推压力22.2T（最大推压速度下的推压力为8.3T）。
3 铲杆受力分析
3.1 最大推压力计算
1） 推压机构电机调速特性
电铲用于铲装矿岩，其工作条件非常恶劣，特别是在爆破不好的情况下挖根作业，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。因此，电铲对电气传动系统就有较高的要求：要求电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，有足够大的有功功率;要求有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加（减）速和反转，动态响应速度快;要求系统制动性能好，并能回收能量;要求系统运行可靠，维修方便等。
由于电铲对电气传动系统的这些特殊要求，所以，国产电铲目前应用的电气传动系统主要还是直流传动系统。例如：WK-4、WK-10等型号的电铲都是采用直流发电机-直流电动机系统（简称机组系统、G―M系统）;从美国Harnischfeger公司引进制造的P&H-2300XP和P&H-2800XP型电铲则是采用晶闸管变流器-直流电动机系统（简称晶闸管直流系统）。虽然后者比前者技术先进，效率也有所提高，但这两种系统都还存在直流电机固有的缺点，直流发电机组存在整流换向器，碳刷与整流子的旋转接触导致易损与故障率高，又因为机组体积大，重量重，使得维修更换困难，费用高，周期长，影响生产率。
随着技术进步出现了变频器-鼠笼型电动机系统（简称交流变频调速系统），这是交流化的电铲电气传动系统。
举例：高压交流电由电缆经集电环引入电铲，由主变压器将6 kV变为低压575 V，由整流器将交流变为直流，经滤波后送入公共直流母线。在直流母线上有4台容量为750 kVA的逆变器，分别驱动提升电动机，回转电动机和推压电动机。当某工作机构处于再生制动工作时，逆变器将再生制动能量反馈到公共直流母线上，可供其它工作机构使用，使能量得到充分利用。使用不完的制动能量，可以通过制动电阻消耗掉。
实践证明，交流变频调速电铲和前两种直流调速电铲相比，具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高（0.95以上）等优点，是公认的电铲电气传动系统的发展方向。
2） 极限推压力计算
总传动比i=122/22 × 110/16=38
已知电机转速n=1150 r/min
推压小齿轮转速 n=1150/38≈30 r/min
推压电机功率P=54 kW
按齿轮（一对）效率99%轴承（一对）效率99%
推压小齿轮上功率P=54×0.99×0.99×0.99×0.99=52 kW
推压小齿轮转矩T=9550P/n=9550×52/30 =16553 N.m=16.553 kN.m
推压小齿轮分度圆直径df=z×m=14×24=336 mm
推压小齿轮圆周力F=2T/D=2×16.553/0.336≈ 98.5 kN≈10t，该值为速度最大，推压力最小的情况。
本计算未考虑推压齿轮两侧扶柄子的摩擦力，与厂家提供值基本接近。
最大推压力按厂家提供的22.2 t计算。
3.2 铲杆失效原因分析
1） 铲杆结构
铲杆本体为箱式结构，材质为15 MnV。在铲杆下平面，采用焊接工艺将齿条焊接牢固。齿条由ZG35直接铸造而成，每段15个齿，模数14。（如图4所示）
推压齿轮材质为ZG35CrMo，质量为110 kg，作业制为每天工作20 h，额定使命寿命为4个月，采用铸造不加工工艺。模数为24，齿数为14，齿宽为137 mm。
2） 齿条安装工艺
齿条焊固前，必须严格确定两根铲杆齿条的相对位置，确保与推压齿轮同步。同时必须控制两根齿条的平行度与间距。待齿条找正后，采用简易门架和千斤顶将齿条固定好，控制焊接变形。焊接通常使用506焊条，采用15×15～150×75 mm的阶段焊缝。找正方式如图2所示。
具体要求：装好的两铲杆内侧距离为1344 mm，其偏差不得大于±2mm;焊接齿条，以铲杆联接器两端大花帽螺丝孔公共中心线为基准，与两根鏟杆上齿条对应的某个齿，齿厚公共中心线不平行度不大于1 mm;相对应30个齿的对角线长度偏差不得超过5 mm;铲杆上、下两个平面长向的直线度在1000 mm长不大于0.5 mm。不平行度不得大于0.2 mm;铲杆与铲杆联接器的侧面接触不少于60%。大、小花帽螺丝必须紧固，不许松动;后保险牙与挡铁和铲杆的接触面不小于85%保险牙螺丝必须紧固;铲杆联接器与铲斗连接处的轴向串动量为3～6 mm;装配好铲杆连接器的小花帽螺丝不许碰撞大架子外沿。
3） 推压齿轮弯曲疲劳强度计算
按实际使用过程中暴露的故障，推压机构失效主要有推压齿轮断齿、齿条断齿和铲杆下面裂纹（齿条接缝处）等三种。推压齿轮副为开式齿轮，制造精度较低。对于制造精度较低的齿轮传动，制造误差大，实际上多由在齿顶处啮合的轮齿分担较多的载荷，为便于计算，通常全部载荷作用于齿项来计算齿根的弯曲强度。
其中 K=KAKv Kβ=1.75×1.07×1.23=2.3
T1=22.2×1000×9.8×336/2=36.6 KN.m
通过上述结论表明，推压齿轮强度储备较大，失效形式主要是磨损后发生断齿。因此，要加强在日常使用中的润滑，确保每个班次加注润滑脂，延长齿轮使用寿命。
4） 铲杆受力有限元分析
根据对铲杆测绘及结合部分零件图，用AUTOCAD绘制装配图，然后在ANSYS中建模如图3所示。
本模型取1000 mm长度的铲杆，中间500 mm处为两根齿条的接缝，最大推压力下作用在接缝中处最边缘的一根齿，模拟最大推压力正好作用在过渡区域的极端情况。
施加约束情况：
因为图3中铲杆最下面有鞍形座摩擦接触，长度为1000 mm，宽度为180 mm，所以整个底面加Uy=0约束。
铲杆右端面加Ux=0约束 齿轮与齿条啮合力为108780N
齿条一个齿面的面积为：6503 mm2
则齿面的压应力为：108780/6503=16.728 MPa
将此值加载后求解：最大等效应力：876 MPa
后将齿面的压应力减小修改为3.765 Mpa求解：
将此值加载后求解：最大等效应力：197 MPa
施加约束如图4所示：
得到齿条接缝处应变云图如下图5所示：
4 结论分析与改进措施
4.1 结论分析
上述情况模拟的是铲杆在最大受力的情况下（闷车），推压齿轮正好与两根齿条接逢处的最边缘一根齿啮合。
由应变云图可以看出，两根齿条接缝处的应力与应变与实际情况相符，建模符合实际，在接缝处应力比较集中，尤其在齿条与铲杆接缝处产生较大的应力突变。在实际使用过程中，往往都是齿条接缝处下面的铲杆出现裂纹造成铲杆失铲。
4.2 改进措施
由于以往在齿条焊接过程中，只对两个侧面断续焊接，齿条接缝处不用联接，因此，在过渡区域产生了较大的应力集中，在ANSYS分析中产生了奇异性。结合分析结果，齿条结构可作如下改进：
1）新铲具第一次采用拼接齿条，则须在焊接工艺上改进。焊接方法如下图6所示：
如图6所示，除在齿条两侧翼面进行焊接外，在拼接处，对靠近铲斗的前一根齿条的根部预先处理出坡口，先进行焊接。然后固定后续一根齿条，在接缝处将两根齿条焊接在一起，然后再用磨具修复出齿条形状，可有效降低接缝处的应力。
2）修复铲具更换齿条，采用电弧气刨切割失效齿条，再使用角向磨光机将焊瘤清除干净，避免使用气割方式切割 旧齿条。
3）修复铲具更换齿条，首先做到对铲具是否产生裂纹进行检查，避免带有裂纹未处理直接焊接新齒条，修复铲具裂纹必须控制施工点位温度，避免局部温度骤然升高带来危害。
4）焊接齿条采取二氧化碳气体保护焊接，避免使用手工焊接。
5）修复后铲具在自然环境下静置15-20天后再投入使用，能够有效减轻焊接应力对铲具造成裂纹。