劉軍

摘 要：對BS1200邊坡清篩機(jī)挖掘斗輪鏟斗的挖掘阻力進(jìn)行計(jì)算并做有限元分析，對鏟斗國產(chǎn)化進(jìn)行論證，這對于降低生產(chǎn)及日常使用成本有著極其重要的意義。

關(guān)鍵詞：挖掘斗輪；鏟斗；挖掘阻力；有限元分析；鏟斗材質(zhì)

BS1200型邊坡清篩機(jī)主要用于線路兩側(cè)道床邊坡的清篩作業(yè)，挖掘斗輪是一種大型、高效的機(jī)械設(shè)備。在挖掘過程中，由于鏟斗在作業(yè)過程中不斷磨耗，因此在使用中，不可避免會(huì)出現(xiàn)損壞，因此更換鏟斗的費(fèi)用也需納入使用全壽命成本中進(jìn)行考慮。同時(shí)，在生產(chǎn)過程中，也可以逐步考慮國產(chǎn)化。因此，文章此處對挖掘斗輪鏟斗部分國產(chǎn)化進(jìn)行研究、討論。通過計(jì)算挖掘過程中鏟斗受到的挖掘阻力并分析得出鏟斗應(yīng)力圖及形變圖。初步分析鏟斗材料的選擇與優(yōu)化。

1 鏟斗受力分析

鏟斗以機(jī)械方式將道砟從道床上剝離出來，這是一個(gè)很復(fù)雜的過程，在此過程中，道砟發(fā)生松散及一部分受到壓縮。因此產(chǎn)生阻力及道砟與道砟間的摩擦力和道砟與鏟斗間的摩擦力。

在挖掘過程中，道砟與鏟斗切削刃上的力稱為切削阻力。為了研究方便，我們把鏟斗和切削刃與道砟之間的摩擦力統(tǒng)一當(dāng)做切削阻力進(jìn)行研究。切削力與切削裝置作用在土壤上。其大小和土壤切削阻力大小相同，方向相反。道砟剝離后，向鏟斗內(nèi)流動(dòng)，流動(dòng)中，道砟與道砟和道砟與切削裝置之間產(chǎn)生摩擦。同時(shí)，流動(dòng)受到鏟斗后壁阻礙還會(huì)產(chǎn)生附加阻力。因此，切削裝置還要克服這些摩擦力和附加阻力。這些附加阻力形成裝石阻力。當(dāng)鏟斗有效容積不變時(shí)，增大切屑厚度h和減小切屑寬度b，或者保持b/h的比值不變而增大切屑斷面面積A，都可以減小切削阻力。但h太大或b太小，由于側(cè)壁的影響，阻力將會(huì)增加。較合理的尺寸是b>50cm，h=（0.1～0.33）b。在這種情況下，切削厚度變化對阻力的影響很小，可以忽略不計(jì)。

邊坡清篩機(jī)挖掘鏟斗參與挖掘過程時(shí)，其有效挖掘尺寸為斗輪厚度B=770mm，H約為200mm，H=0.26B，因此，在計(jì)算中忽略切削厚度變化對阻力的影響。根據(jù)資料提供公式：

式中：C-表示道砟的硬度系數(shù)，IV級土取C=160～350，在此取350；R-鏟斗的切削半徑，鏟斗斗尖至與斗輪連接處的距離，單位厘米，R=45cm；？漬max-鏟斗在挖掘中總轉(zhuǎn)角的一半；查資料取等效？漬max=60°；？漬-鏟斗瞬時(shí)轉(zhuǎn)角

kb-切削刃寬度影響系數(shù)，kb=1+2.6B，其中B為鏟斗寬度，單位為米。kb=3.002

ka-切削角影響系數(shù)，ka=1.3

kz-無斗齒系數(shù)，kz=1

kx-斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)，kx=1+0.03S，S為側(cè)壁厚度，單位為CM。初步計(jì)算取kx=1.1

D-切削刃擠壓土壤分力，斗容量小于0.5立方米D應(yīng)小于10000。

取10000。則W1max=58.86KN。冗余量取0.2。Fw1=1.2W1max=70.63KN。

斗型裝置的切向挖掘阻力Fw1和法向挖掘阻力Fw2的關(guān)系可用系數(shù)ξ0表示：Fw2=ξ0W1max。ξ0取值0.4。Fw2=28.25KN。

則鏟斗收到合力大小為：W=76.05 方向與法向夾角22°。

實(shí)際挖掘中，斗輪120°范圍內(nèi)包含8個(gè)鏟斗。因此，總挖掘阻力：Wa≈8W=608.4KN。實(shí)際中各斗輪受力方向不同。分量到挖掘阻力上，不能達(dá)到計(jì)算最大值。同時(shí)由于邊坡清篩機(jī)挖掘時(shí)，具有一定前進(jìn)速度，又客觀上增加了實(shí)際挖掘阻力，通過計(jì)算值與實(shí)測挖掘阻力曲線對比，計(jì)算結(jié)論與測定挖掘阻力相當(dāng)（如圖1所示）。

2 鏟斗材料的選擇

鏟斗受力有限元分析（材質(zhì)Q345）（如圖2所示）：

通過對鏟斗受力的有限元分析：Q235同樣能夠滿足鏟斗強(qiáng)度要求，但由于與Q345價(jià)格相差不大，且Q345經(jīng)滲碳淬火后其表面硬度及心部韌性能更好的滿足鏟斗工作特性要求。因此鏟斗材料選用Q345。但由于道砟多為特級花崗巖，其莫氏硬度普遍為6-7。屬于較為堅(jiān)硬材質(zhì)。為提高鏟斗耐磨性，只能盡量提高鏟斗表面硬度，盡量使鏟斗處于軟磨料磨損狀態(tài)，提高其使用壽命。16Mn經(jīng)碳氮共滲后淬火，其表面硬度能達(dá)到HRC48以上。因此整體選用低合金鋼16Mn，下部唇板及側(cè)部護(hù)板為進(jìn)一步增加壽命采用NM400。主要是提高其表面硬度和耐磨性。NM400性能整體優(yōu)于16Mn，因此為方便分析，有限元分析時(shí)整體材質(zhì)選用16Mn。

3 強(qiáng)度校核

3.1 強(qiáng)度校核

從強(qiáng)度校核計(jì)算可知：鏟斗有足夠的強(qiáng)度，鏟斗的變形很小，最大位移量為0.176mm。總體來說，鏟斗側(cè)壁頂部受到應(yīng)力最大，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力，大部分區(qū)域都低于55N/mm2。因此，斗輪整體強(qiáng)度滿足要求。

3.2 結(jié)果分析

（1）斗體前部的唇板和兩側(cè)的護(hù)板對改善鏟斗的挖掘性能和提高斗體的使用壽命起到了很大作用。（2）鏟斗在挖掘過程中基本不具有柔性，鏟斗變形量很小。因此，挖掘斗輪結(jié)構(gòu)需有緩沖裝置，以緩解力的作用，增加運(yùn)用安全性。（3）以上計(jì)算是在鏟斗簡化模型上進(jìn)行的。因此，鏟斗的實(shí)際強(qiáng)度仍有較大冗余。只是在計(jì)算分析中未考慮螺栓連接強(qiáng)度，在實(shí)際選用中還需另行考慮、選擇。同時(shí)，網(wǎng)格劃分的精確程度不同，計(jì)算精度存在一定的偏差，但總體不影響對鏟斗整體強(qiáng)度的分析結(jié)果，完全可供設(shè)計(jì)參考。

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