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摘要：机械化生产成为煤矿企业生产过程中的主要运作形式，在机械设备中，大型矿用挖掘机的使用率非常高，大型矿用挖掘机的性能发挥与使用寿命直接关系着煤炭生产质量、产量与企业的经济效益，为了更好的保持大型矿用挖掘机最佳性能发挥与使用寿命，首先就要保证机体构件的完整性，包括斗杆组件。本文结合已有大型矿用挖掘机的运行工况进行分析，通过对疲劳理论、模型构建、时间元素等方面的研究，利用疲劳修正系数计算方法，找到改善途径。
关键词：大型矿用挖掘机；斗杆组件；疲劳寿命；计算修正系数；仿真设计
在大型矿用挖掘机中斗杆组件是重要的组成部分，更是煤矿采掘过程中主要操控环节，直接关系采掘进程与效率，斗杆组件在工作运行中经常发生交变载荷、随机载荷，而这些载荷对斗杆组件的疲劳寿命有很大的影响，结合疲劳理论，对强度与寿命进行分析，为了改善斗杆组件的疲劳寿命，则需要采用修正系数计算方法，在科学合理的控制下，更好的发挥挖掘机运行效率。
一、静力学分析
1、斗杆组件的受力分析与模型建立
大型矿用挖掘机斗杆组件在实际运行中，受力点主要来源于挖掘阻力、钢丝绳拉力、机体重力、物料重力。大型矿用挖掘机斗杆组件是一种常见的箱型焊接结构，主要有盖板、腹板、加强肋板组成，结构组建比较复杂，借助UG/WAVE功能实施斗杆三维参数化模型构建，这项功能一来可以保持原来结构的完整性，二来可以优化模型，并且可以保证模型受力分析与实体斗杆受力分析完全相同。再将构建的模型传送到ANSYSWorkbench中。
2、材料特性及主要参数
斗杆组件主要由Q460E组成，弹性模量E=2.1E5MPa，屈服强度σb=460MPa，泊松比p=0.3。
3、载荷及边界条件
斗杆全部伸出时，推压力作用在齿条最后两个齿的齿面上，对鞍座底面施加固定约束，斗杆上推压齿条和鞍座之间添加Tra-nslational运动副。斗杆、铲斗、连杆和销轴间添加Fixed运动副。提升力通过钢丝绳和提梁作用在铲斗上。钢丝绳与提梁间接触类型选择Noseparation。
钢丝绳顶端施加固定约束，模拟钢丝绳的提升作用。提梁、铲斗和连接两者的销轴间添加Revolute运动副。挖掘阻力在整个挖掘过程中大小和方向均发生改变，故分析时，将挖掘阻力分解为横向挖掘阻力和纵向挖掘阻力。分析中略去斗齿，挖掘阻力直接作用于斗唇上斗齿位置处。均载工况中，挖掘阻力均布于整个斗唇。偏载工况中，挖掘阻力均布于斗唇的三分之一部分。物料重力作用于斗底和斗前壁。考虑斗杆组件重力。加载方式为分步加载。
4、静力学分析结果
经过计算得到斗杆组件在均载和偏载两种工况下的应力分布云图与位移云图。均载工况下，斗杆组件的最大应力为218.68MPa，发生在提梁顶部的弯曲加强肋中部。提梁左右两侧板处最大应力约为108.74MPa。双斗杆结构提高了斗杆的刚度和强度以及抗扭刚性，同时保证了铲斗的受力均匀，故均载工况下斗杆和斗体的应分布较为均匀，只在斗杆下侧耳板根部以及斗体耳板下部产生了约为108MPa的较大应力。最大位移为54.172mm，发生在斗唇中央。
偏载工况下，斗杆组件的最大应力为242.19MPa，发生在斗杆与推压轴小齿轮的啮合齿上。挖掘阻力作用一侧的斗杆中部，斗杆耳板根部，挖掘阻力作用对侧的上侧耳板上应力达到165.13MPa。提梁左右两侧板处最大应力约为123.85MPa。斗杆组件最大位移发生在挖掘阻力作用一侧的斗前壁与斗侧壁连接處上部，最大位移达到75.998mm。这些位置出现较大应力和位移是由于偏载工况中斗杆组件受到了由于挖掘阻力产生的较大弯矩和扭矩的作用，造成斗杆组件呈现严重拉压状态。
二、斗杆组件疲劳寿命分析
1、疲劳分析方法与线性疲劳累计损伤理论
斗杆组件疲劳寿命分析方法主要是利用FE-SAFE软件。并结合科学的理论知识进行研究，如：线性疲劳累计损伤理论：主要是受循环载荷影响使得疲劳出现线性累加情况，每个应力都存在各自独立的状态，无干涉情况，线性累加到一定程度，达到具有损伤反应的数值时，疲劳现象明显，组建出现损伤。
2、大型挖掘机斗杆组件材料S-N曲线
斗杆组件材料发生S-N曲线主要是通过疲劳试验反复进行所获得的，主要是利用Segger算法实施材料S-N曲线估算，前提是需要对材料的强度极限、杨氏模量、材料性质等方面信息足够了解，进而经过软件处理，获取S-N曲线。
3、疲劳载荷定义
斗杆组件运行过程中可同时承受挖掘阻力、机体与物料的重力以及推压力，其中挖掘阻力包括横向与纵向两种挖掘阻力，阻力的变化无统一规律；物料重力数值在挖掘深度不断增加的同时，重力也会相应增大；机体自身的重力基本不变；推压力受挖掘机的运行速度、物料重力的变化而发生变化。利用EDEM软件对大型矿用挖掘机斗杆组件的挖掘过程中所产生的各种受力变化进行离散元仿真，并结合多年的试验经验比较，其仿真结果非常可靠，并对变力载荷时间历程进行仿真。在结合斗杆组件运行工况分析，分析材料S-N曲线，总结出斗杆组件的疲劳是高周破坏所引起，联合受力特点分析，借助多轴疲劳计算方法，对斗杆组件疲劳寿命试验数值取证。
4、FE-SAFE疲劳寿命计算
静力学分析中主要是针对均载、偏载两种运行情况进行相应的应力、移位结果取证，在FE-SAFE软件中应用静力学分析方法，并将均载、偏载结果实施导入，将各变力的载荷时间历程信号与各载荷步的应力应变结果匹配。选用应力-寿命曲线作为疲劳寿命评估依据，选择vonMises：-Goodman算法。预设寿命为107次，载荷变化率为5%，进行疲劳寿命分析和计算。计算后，将结果导入ANSYS中查看结果。
5、疲劳寿命结果分析
斗杆组件在正常的运行工况下，其疲劳寿命为105.39次（均载）和104.94次（偏载）。结合现代煤矿生产要求，挖掘机的年均工作时间可达六千小时，按45分钟为工作循环耗时标准分析，斗杆组件均载工况条件下工作寿命为6个月，偏载工况条件工作寿命为2个月。可以说明偏载工况对斗杆组件的疲劳寿命影响要比均载工况严重很多。
由于对大型挖掘机无法进行疲劳试验，只能通过仿真初步预测产品的疲劳寿命，存在一些误差，故中提出对仿真结果进行修正的修正系数。此时依据已有挖掘机在各种工况下的运行时间比例作为修正系数的依据。由于我们对已有挖掘机的在各运行工况下运行时间进行了详细统计，故大型挖掘机的运行时间比例具有较高的可信度。此外在挖掘机工作过程中，完全均载的情況是不存在的。所以这里将偏载比例为（0-0.25）的运行工况视为相对均载，其他视为偏载。经过计算可得修正后的使用寿命为201126次。通过修正，可得到更加准确的寿命预测，为设计提供更加准确依据。
结语：对大型矿用挖掘机斗杆组件进行两种不同工况分析，采用分析方法是有限元静力学，再结合相关的技术软件对斗杆组件进行仿真模型构建，对疲劳寿命进行对比性分析，确定斗杆组件发生疲劳破坏现象与部位受力有直接影响关系，调整斗唇边缘、耳板、斗体、提梁铰接处、斗唇截面处等部位的受力状况都是改善斗杆组件疲劳寿命的重要环节，实际修正系数还需要结合大型矿用挖掘机现场作业情况而定，要以科学、有效为修正系数值拟定的基本原则，以保持大型矿用挖掘机斗杆组件使用寿命为目的，提高疲劳寿命预测的准确性。
参考文献：
[1]朱金金.75m-3矿用挖掘机主要部件的参数化设计及其有限元分析[D].太原理工大学，2015；
[2]贺建平.浅谈WK-75型矿用挖掘机斗杆的设计[J].科技创新与生产力，2014（7）.
关键词：大型矿用挖掘机；斗杆组件；疲劳寿命；计算修正系数；仿真设计
在大型矿用挖掘机中斗杆组件是重要的组成部分，更是煤矿采掘过程中主要操控环节，直接关系采掘进程与效率，斗杆组件在工作运行中经常发生交变载荷、随机载荷，而这些载荷对斗杆组件的疲劳寿命有很大的影响，结合疲劳理论，对强度与寿命进行分析，为了改善斗杆组件的疲劳寿命，则需要采用修正系数计算方法，在科学合理的控制下，更好的发挥挖掘机运行效率。
一、静力学分析
1、斗杆组件的受力分析与模型建立
大型矿用挖掘机斗杆组件在实际运行中，受力点主要来源于挖掘阻力、钢丝绳拉力、机体重力、物料重力。大型矿用挖掘机斗杆组件是一种常见的箱型焊接结构，主要有盖板、腹板、加强肋板组成，结构组建比较复杂，借助UG/WAVE功能实施斗杆三维参数化模型构建，这项功能一来可以保持原来结构的完整性，二来可以优化模型，并且可以保证模型受力分析与实体斗杆受力分析完全相同。再将构建的模型传送到ANSYSWorkbench中。
2、材料特性及主要参数
斗杆组件主要由Q460E组成，弹性模量E=2.1E5MPa，屈服强度σb=460MPa，泊松比p=0.3。
3、载荷及边界条件
斗杆全部伸出时，推压力作用在齿条最后两个齿的齿面上，对鞍座底面施加固定约束，斗杆上推压齿条和鞍座之间添加Tra-nslational运动副。斗杆、铲斗、连杆和销轴间添加Fixed运动副。提升力通过钢丝绳和提梁作用在铲斗上。钢丝绳与提梁间接触类型选择Noseparation。
钢丝绳顶端施加固定约束，模拟钢丝绳的提升作用。提梁、铲斗和连接两者的销轴间添加Revolute运动副。挖掘阻力在整个挖掘过程中大小和方向均发生改变，故分析时，将挖掘阻力分解为横向挖掘阻力和纵向挖掘阻力。分析中略去斗齿，挖掘阻力直接作用于斗唇上斗齿位置处。均载工况中，挖掘阻力均布于整个斗唇。偏载工况中，挖掘阻力均布于斗唇的三分之一部分。物料重力作用于斗底和斗前壁。考虑斗杆组件重力。加载方式为分步加载。
4、静力学分析结果
经过计算得到斗杆组件在均载和偏载两种工况下的应力分布云图与位移云图。均载工况下，斗杆组件的最大应力为218.68MPa，发生在提梁顶部的弯曲加强肋中部。提梁左右两侧板处最大应力约为108.74MPa。双斗杆结构提高了斗杆的刚度和强度以及抗扭刚性，同时保证了铲斗的受力均匀，故均载工况下斗杆和斗体的应分布较为均匀，只在斗杆下侧耳板根部以及斗体耳板下部产生了约为108MPa的较大应力。最大位移为54.172mm，发生在斗唇中央。
偏载工况下，斗杆组件的最大应力为242.19MPa，发生在斗杆与推压轴小齿轮的啮合齿上。挖掘阻力作用一侧的斗杆中部，斗杆耳板根部，挖掘阻力作用对侧的上侧耳板上应力达到165.13MPa。提梁左右两侧板处最大应力约为123.85MPa。斗杆组件最大位移发生在挖掘阻力作用一侧的斗前壁与斗侧壁连接處上部，最大位移达到75.998mm。这些位置出现较大应力和位移是由于偏载工况中斗杆组件受到了由于挖掘阻力产生的较大弯矩和扭矩的作用，造成斗杆组件呈现严重拉压状态。
二、斗杆组件疲劳寿命分析
1、疲劳分析方法与线性疲劳累计损伤理论
斗杆组件疲劳寿命分析方法主要是利用FE-SAFE软件。并结合科学的理论知识进行研究，如：线性疲劳累计损伤理论：主要是受循环载荷影响使得疲劳出现线性累加情况，每个应力都存在各自独立的状态，无干涉情况，线性累加到一定程度，达到具有损伤反应的数值时，疲劳现象明显，组建出现损伤。
2、大型挖掘机斗杆组件材料S-N曲线
斗杆组件材料发生S-N曲线主要是通过疲劳试验反复进行所获得的，主要是利用Segger算法实施材料S-N曲线估算，前提是需要对材料的强度极限、杨氏模量、材料性质等方面信息足够了解，进而经过软件处理，获取S-N曲线。
3、疲劳载荷定义
斗杆组件运行过程中可同时承受挖掘阻力、机体与物料的重力以及推压力，其中挖掘阻力包括横向与纵向两种挖掘阻力，阻力的变化无统一规律；物料重力数值在挖掘深度不断增加的同时，重力也会相应增大；机体自身的重力基本不变；推压力受挖掘机的运行速度、物料重力的变化而发生变化。利用EDEM软件对大型矿用挖掘机斗杆组件的挖掘过程中所产生的各种受力变化进行离散元仿真，并结合多年的试验经验比较，其仿真结果非常可靠，并对变力载荷时间历程进行仿真。在结合斗杆组件运行工况分析，分析材料S-N曲线，总结出斗杆组件的疲劳是高周破坏所引起，联合受力特点分析，借助多轴疲劳计算方法，对斗杆组件疲劳寿命试验数值取证。
4、FE-SAFE疲劳寿命计算
静力学分析中主要是针对均载、偏载两种运行情况进行相应的应力、移位结果取证，在FE-SAFE软件中应用静力学分析方法，并将均载、偏载结果实施导入，将各变力的载荷时间历程信号与各载荷步的应力应变结果匹配。选用应力-寿命曲线作为疲劳寿命评估依据，选择vonMises：-Goodman算法。预设寿命为107次，载荷变化率为5%，进行疲劳寿命分析和计算。计算后，将结果导入ANSYS中查看结果。
5、疲劳寿命结果分析
斗杆组件在正常的运行工况下，其疲劳寿命为105.39次（均载）和104.94次（偏载）。结合现代煤矿生产要求，挖掘机的年均工作时间可达六千小时，按45分钟为工作循环耗时标准分析，斗杆组件均载工况条件下工作寿命为6个月，偏载工况条件工作寿命为2个月。可以说明偏载工况对斗杆组件的疲劳寿命影响要比均载工况严重很多。
由于对大型挖掘机无法进行疲劳试验，只能通过仿真初步预测产品的疲劳寿命，存在一些误差，故中提出对仿真结果进行修正的修正系数。此时依据已有挖掘机在各种工况下的运行时间比例作为修正系数的依据。由于我们对已有挖掘机的在各运行工况下运行时间进行了详细统计，故大型挖掘机的运行时间比例具有较高的可信度。此外在挖掘机工作过程中，完全均载的情況是不存在的。所以这里将偏载比例为（0-0.25）的运行工况视为相对均载，其他视为偏载。经过计算可得修正后的使用寿命为201126次。通过修正，可得到更加准确的寿命预测，为设计提供更加准确依据。
结语：对大型矿用挖掘机斗杆组件进行两种不同工况分析，采用分析方法是有限元静力学，再结合相关的技术软件对斗杆组件进行仿真模型构建，对疲劳寿命进行对比性分析，确定斗杆组件发生疲劳破坏现象与部位受力有直接影响关系，调整斗唇边缘、耳板、斗体、提梁铰接处、斗唇截面处等部位的受力状况都是改善斗杆组件疲劳寿命的重要环节，实际修正系数还需要结合大型矿用挖掘机现场作业情况而定，要以科学、有效为修正系数值拟定的基本原则，以保持大型矿用挖掘机斗杆组件使用寿命为目的，提高疲劳寿命预测的准确性。
参考文献：
[1]朱金金.75m-3矿用挖掘机主要部件的参数化设计及其有限元分析[D].太原理工大学，2015；
[2]贺建平.浅谈WK-75型矿用挖掘机斗杆的设计[J].科技创新与生产力，2014（7）.