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摘要：斗轮挖掘机通过取料臂前端的斗轮进行挖掘取料，因此取料臂的设计合理与否直接影响斗轮的切削取料能力和设备的正常运行。利用ANSYS软件对BW2000斗轮挖掘机取料臂进行建模和有限元分析，以期为取料臂具体结构设计提供理论依据和改进建议。
关键词：斗轮挖掘机；取料臂；ANSYS；有限元分析
中图分类号：TD422.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）08-0014-03
斗轮挖掘机常用于露天矿和大型土方工程中，完成采、运、排连续开采工艺。其作业内容包括大量土方的挖掘、矿场的剥离与采掘，以及大型料场的装卸作业，还可直接挖掘较坚硬的土壤。斗轮挖掘机具有生产能力大、效率高、适应复杂矿层进行选采、运输坡度大、易实现现代化管理等优点，在国外工业发达国家被普遍采用。
1 斗轮挖掘机的主要结构及工作原理
斗轮挖掘机由工作装置、转台和行走装置等部分组成。工作装置包括斗轮、取料臂及其悬挂装置、带式输送机和卸料装置等。斗轮有轮式和球式两种，前者用于端面挖掘，后者用于侧面挖掘。转台上装有动力装置、传动操作系统、回转装置、变幅机构、支承架以及附属设备。
斗轮挖掘机是利用装于取料臂前端转轮上的多個铲斗连续挖掘的多斗挖掘机。它以斗轮转动和取料臂随转台匀速回转的复合运动进行挖掘作业，斗轮上的铲斗自下而上进行切削矿层并装斗，当铲斗转至上部位置时，靠自重将矿料卸于带式输送机上输出。作业时挖掘机不行走，动臂的倾角由变幅机构调整，以适应分层挖掘作业。有的斗轮挖掘机动臂长度还可改变。当停机点弧形工作范围内的土壤全部挖掘工作完成后，挖掘机向前运行一段距离，再进行挖掘工作。
在挖掘作业时取料臂需要承受不同工况下铲斗上的横向力、侧向力以及风力等外力作用，是斗轮挖掘机主要的受力构件之一。取料臂的设计合理与否直接影响着斗轮的切削取料能力和设备的正常运行，因此取料臂的设计至关重要。本课题利用ANSYS软件对BW2000斗轮挖掘机取料臂进行辅助设计。
2 取料臂模型建立及有限元分析
2.1 建立取料臂结构有限元模型
采用ANSYS软件分析取料臂架结构的强度。建模时板壳结构遵循如下原则：1） 各板件厚度方向的位置以板厚中分面位置来确定；2） 由于为保证焊接工艺的板边缘对计算结果影响很小，在建立有限元模型时不予考虑；3） 各板不仅承受拉压应力还承受着弯矩，因此有限元分析时单元类型采用弯曲板元。
臂架主体结构按板壳结构（SHELL63）建模，空间油缸部分按杆单元（LINK8）建模，角钢和槽钢部分按梁单元（BEAM188）建模。划分后共得节点59 211个。
2.2 作业工况分类
工况一：取料臂承受主要载荷，臂架仰角为0°；工况二：取料臂承受附加载荷，臂架仰角为0°；工况三：取料臂承受特殊载荷（料槽堵塞），臂架仰角为0°；工况四：取料臂承受特殊载荷（料槽堵塞），臂架仰角为18°；工况五：取料臂承受特殊载荷（料槽堵塞），臂架仰角为-18°；工况六：取料臂承受特殊载荷（斜坡碰撞载荷），臂架仰角为0°；工况七：取料臂承受特殊载荷（非工作风载荷），臂架仰角为0°。
2.3 载荷施加
设备自重载荷通过重力加速度的方式施加；回转启动及制动时的惯性力以取料臂相对于回转支撑中心回转时的角加速度的形式施加；设备倾斜载荷以重力加速度的y方向分量的形式施加；皮带张力和驱动滚筒扭矩在头部滚筒和尾部滚筒轴承座处建立的刚性区域的中心节点处施加；在各个托辊与臂架结构连接处建立质量点，托辊自重、皮带自重、物料载荷以及胶带的积垢载荷均以质量的形式施加到质量点上；斗轮和驱动机构的重力也以质量点的形式施加；挖掘力施加到两个斗轮轴承座上的刚性区域中心结点上；扭力臂的反力施加到扭力臂支座上的刚性区域中心结点上；料槽堵塞载荷以改变相应质量点质量的形式施加；斜坡碰撞载荷施加到臂架上参与碰撞的区域的结点上；工作风载荷和非工作风载荷平均施加到臂架侧面的多个关键点上；取料臂±18°仰角产生的载荷以重力加速度x方向分量的形式施加。
2.4 约束施加
在取料臂两个后铰点约束除绕y轴转动外的其余5个自由度；在油缸铰点施加x，y，z 3个方向的位移约束，如图1所示。
3 计算结果分析
有限元计算结果显示，取料臂承受料槽堵塞特殊载荷工况（即工况四）时，结构应力最大。在此载荷下，计算取料臂水平和±18°仰角3种工况，结果表明在水平状态下臂架结构应力为最大，因此其余载荷工况都只计算臂架水平时的应力状态（如图2所示）。
工况四中取料臂最大综合位移76.6 mm，最大应力484.4 MPa（如图3所示）。
取料臂材料采用60钢，此工况下腹板许用应力[σ]=600/1.2=500.0 MPa，翼缘板许用应力[σ]=600/1.3=461.5 MPa。去除有限元建模中因为beam单元与shell单元连接处产生的应力集中（实际中并不存在），其余部分应力基本都在400 MPa以下，臂架强度满足要求。
4 结构改进
虽然取料臂通过有限元分析满足了强度要求，但考虑到在建模时经过一定的结构简化，对比取料臂应力云图，对应力较大的部位做出以下结构更改：1） 取料臂前端中间梁延伸至其后面铰耳处的横梁上，使其能够参与承载。2） 取料臂前端左右两侧纵梁的下盖板的斜率均改为和中间梁下盖板斜率一致。3） 对斗轮驱动机构侧的纵梁，减小其弯折程度，箱型结构从扭力臂支座处弯折，一直延伸到铰耳处的横梁。4） 两侧纵梁的上下盖板均改为16 mm厚。5） 在与斗轮轴轴承支座相连的结构上加筋板。6） 扭力臂支座表面与上盖板平齐，筋板贯穿梁的箱型结构。7） 在需要输送带穿过的实腹板上开孔，保证皮带能够通过。 取料臂上有斗轮驱动机构一侧的纵梁全部采用箱型截面，从扭力臂支座处开始弯折，一直延伸到输送带驱动滚筒的轴承座固定处，截面平滑过渡。注意防止与L型梁内侧干涉。
结构改进后的取料臂如图4所示。
参考文献
[1] 李晓豁.露天采矿机械[M].北京：冶金工业出版社，2010.
[2] 王书杰，才庆祥，李树学.严寒地区露天煤矿轮斗挖掘机应用研究[J].采矿与安全工程学报，2006（1）：12-13.
[3] 趙二夫，罗怀廷.黑岱沟露天煤矿轮斗连续剥离工艺参数设计[J].煤炭工程，2009（8）：16-18.
[4] 李亮盼，马占一，冯明飞.黑岱沟露天煤矿轮斗挖掘机系统使用现状及改进方向[J].中国煤炭，2012（3）：22-25.
[5] 韩万东，孙江，于桂忠.露天矿改扩建工程主要设备选型[J].煤矿安全，2011（9）：14-17.
Abstract： Bucket-wheel excavator excavates and reclaims by bucket-wheel at the front of feeding arm， therefore if feeding arm designed reasonably or not influences the cutting reclaim ability of bucket-wheel and normal operation of the equipment directly. Modeling and finite element analysis on excavator feeding arm was conducted by taking advantage of ANSYS software， so as to provide theoretical basis and suggestions for improvement for the design of feeding arm concrete structure.
Key words： bucket-wheel excavator； feeding arm； ANSYS； finite element analysis
关键词：斗轮挖掘机；取料臂；ANSYS；有限元分析
中图分类号：TD422.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）08-0014-03
斗轮挖掘机常用于露天矿和大型土方工程中，完成采、运、排连续开采工艺。其作业内容包括大量土方的挖掘、矿场的剥离与采掘，以及大型料场的装卸作业，还可直接挖掘较坚硬的土壤。斗轮挖掘机具有生产能力大、效率高、适应复杂矿层进行选采、运输坡度大、易实现现代化管理等优点，在国外工业发达国家被普遍采用。
1 斗轮挖掘机的主要结构及工作原理
斗轮挖掘机由工作装置、转台和行走装置等部分组成。工作装置包括斗轮、取料臂及其悬挂装置、带式输送机和卸料装置等。斗轮有轮式和球式两种，前者用于端面挖掘，后者用于侧面挖掘。转台上装有动力装置、传动操作系统、回转装置、变幅机构、支承架以及附属设备。
斗轮挖掘机是利用装于取料臂前端转轮上的多個铲斗连续挖掘的多斗挖掘机。它以斗轮转动和取料臂随转台匀速回转的复合运动进行挖掘作业，斗轮上的铲斗自下而上进行切削矿层并装斗，当铲斗转至上部位置时，靠自重将矿料卸于带式输送机上输出。作业时挖掘机不行走，动臂的倾角由变幅机构调整，以适应分层挖掘作业。有的斗轮挖掘机动臂长度还可改变。当停机点弧形工作范围内的土壤全部挖掘工作完成后，挖掘机向前运行一段距离，再进行挖掘工作。
在挖掘作业时取料臂需要承受不同工况下铲斗上的横向力、侧向力以及风力等外力作用，是斗轮挖掘机主要的受力构件之一。取料臂的设计合理与否直接影响着斗轮的切削取料能力和设备的正常运行，因此取料臂的设计至关重要。本课题利用ANSYS软件对BW2000斗轮挖掘机取料臂进行辅助设计。
2 取料臂模型建立及有限元分析
2.1 建立取料臂结构有限元模型
采用ANSYS软件分析取料臂架结构的强度。建模时板壳结构遵循如下原则：1） 各板件厚度方向的位置以板厚中分面位置来确定；2） 由于为保证焊接工艺的板边缘对计算结果影响很小，在建立有限元模型时不予考虑；3） 各板不仅承受拉压应力还承受着弯矩，因此有限元分析时单元类型采用弯曲板元。
臂架主体结构按板壳结构（SHELL63）建模，空间油缸部分按杆单元（LINK8）建模，角钢和槽钢部分按梁单元（BEAM188）建模。划分后共得节点59 211个。
2.2 作业工况分类
工况一：取料臂承受主要载荷，臂架仰角为0°；工况二：取料臂承受附加载荷，臂架仰角为0°；工况三：取料臂承受特殊载荷（料槽堵塞），臂架仰角为0°；工况四：取料臂承受特殊载荷（料槽堵塞），臂架仰角为18°；工况五：取料臂承受特殊载荷（料槽堵塞），臂架仰角为-18°；工况六：取料臂承受特殊载荷（斜坡碰撞载荷），臂架仰角为0°；工况七：取料臂承受特殊载荷（非工作风载荷），臂架仰角为0°。
2.3 载荷施加
设备自重载荷通过重力加速度的方式施加；回转启动及制动时的惯性力以取料臂相对于回转支撑中心回转时的角加速度的形式施加；设备倾斜载荷以重力加速度的y方向分量的形式施加；皮带张力和驱动滚筒扭矩在头部滚筒和尾部滚筒轴承座处建立的刚性区域的中心节点处施加；在各个托辊与臂架结构连接处建立质量点，托辊自重、皮带自重、物料载荷以及胶带的积垢载荷均以质量的形式施加到质量点上；斗轮和驱动机构的重力也以质量点的形式施加；挖掘力施加到两个斗轮轴承座上的刚性区域中心结点上；扭力臂的反力施加到扭力臂支座上的刚性区域中心结点上；料槽堵塞载荷以改变相应质量点质量的形式施加；斜坡碰撞载荷施加到臂架上参与碰撞的区域的结点上；工作风载荷和非工作风载荷平均施加到臂架侧面的多个关键点上；取料臂±18°仰角产生的载荷以重力加速度x方向分量的形式施加。
2.4 约束施加
在取料臂两个后铰点约束除绕y轴转动外的其余5个自由度；在油缸铰点施加x，y，z 3个方向的位移约束，如图1所示。
3 计算结果分析
有限元计算结果显示，取料臂承受料槽堵塞特殊载荷工况（即工况四）时，结构应力最大。在此载荷下，计算取料臂水平和±18°仰角3种工况，结果表明在水平状态下臂架结构应力为最大，因此其余载荷工况都只计算臂架水平时的应力状态（如图2所示）。
工况四中取料臂最大综合位移76.6 mm，最大应力484.4 MPa（如图3所示）。
取料臂材料采用60钢，此工况下腹板许用应力[σ]=600/1.2=500.0 MPa，翼缘板许用应力[σ]=600/1.3=461.5 MPa。去除有限元建模中因为beam单元与shell单元连接处产生的应力集中（实际中并不存在），其余部分应力基本都在400 MPa以下，臂架强度满足要求。
4 结构改进
虽然取料臂通过有限元分析满足了强度要求，但考虑到在建模时经过一定的结构简化，对比取料臂应力云图，对应力较大的部位做出以下结构更改：1） 取料臂前端中间梁延伸至其后面铰耳处的横梁上，使其能够参与承载。2） 取料臂前端左右两侧纵梁的下盖板的斜率均改为和中间梁下盖板斜率一致。3） 对斗轮驱动机构侧的纵梁，减小其弯折程度，箱型结构从扭力臂支座处弯折，一直延伸到铰耳处的横梁。4） 两侧纵梁的上下盖板均改为16 mm厚。5） 在与斗轮轴轴承支座相连的结构上加筋板。6） 扭力臂支座表面与上盖板平齐，筋板贯穿梁的箱型结构。7） 在需要输送带穿过的实腹板上开孔，保证皮带能够通过。 取料臂上有斗轮驱动机构一侧的纵梁全部采用箱型截面，从扭力臂支座处开始弯折，一直延伸到输送带驱动滚筒的轴承座固定处，截面平滑过渡。注意防止与L型梁内侧干涉。
结构改进后的取料臂如图4所示。
参考文献
[1] 李晓豁.露天采矿机械[M].北京：冶金工业出版社，2010.
[2] 王书杰，才庆祥，李树学.严寒地区露天煤矿轮斗挖掘机应用研究[J].采矿与安全工程学报，2006（1）：12-13.
[3] 趙二夫，罗怀廷.黑岱沟露天煤矿轮斗连续剥离工艺参数设计[J].煤炭工程，2009（8）：16-18.
[4] 李亮盼，马占一，冯明飞.黑岱沟露天煤矿轮斗挖掘机系统使用现状及改进方向[J].中国煤炭，2012（3）：22-25.
[5] 韩万东，孙江，于桂忠.露天矿改扩建工程主要设备选型[J].煤矿安全，2011（9）：14-17.
Abstract： Bucket-wheel excavator excavates and reclaims by bucket-wheel at the front of feeding arm， therefore if feeding arm designed reasonably or not influences the cutting reclaim ability of bucket-wheel and normal operation of the equipment directly. Modeling and finite element analysis on excavator feeding arm was conducted by taking advantage of ANSYS software， so as to provide theoretical basis and suggestions for improvement for the design of feeding arm concrete structure.
Key words： bucket-wheel excavator； feeding arm； ANSYS； finite element analysis