任 斌

（陽(yáng)煤集團(tuán)有限責(zé)任公司三礦機(jī)電工區(qū)， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

極大的自身承重、工作負(fù)荷、持續(xù)開采的動(dòng)態(tài)隨機(jī)性以及惡劣的工作條件，為露天采礦機(jī)器機(jī)制和結(jié)構(gòu)失效的發(fā)生提供了“肥沃的土壤”。由于停機(jī)時(shí)間的原因，降低了露天礦機(jī)和系統(tǒng)的工作效率。除此之外，重要結(jié)構(gòu)部件的失效可能導(dǎo)致露天礦機(jī)的崩塌。為了防止事故的發(fā)生，必須連續(xù)地檢查裝載最多的結(jié)構(gòu)部件及其連接，即必須執(zhí)行機(jī)器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以及機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)。

1 煤礦斗鏈挖掘機(jī)配重臂支撐架（柱）的常見問題

斗鏈挖掘機(jī)（BCE）ERs1000/20在某實(shí)例露天礦中使用。在多年開挖期間時(shí)，配重吊桿（CWB）支撐桁架的兩列凸緣周期性出現(xiàn)裂縫。這些裂縫被焊接修復(fù)后再次出現(xiàn)相同的位置，且越來越長(zhǎng)，圖1所示。

圖1 斗鏈挖掘機(jī)（BCE）ERs 1000/20出現(xiàn)的裂縫示意

2 煤礦斗鏈挖掘機(jī)配重臂支撐架（柱）的失效分析

2.1 法蘭損壞的測(cè)試

通過肉眼進(jìn)行裂紋區(qū)的視覺檢查?；A(chǔ)材料裂縫，焊縫金屬，以及在熱影響區(qū)觀察兩列凸緣，如圖2所示。

圖2 肉眼進(jìn)行裂紋區(qū)的視覺檢查結(jié)果示意圖

樣品取自左側(cè)法蘭的一部分，進(jìn)行基本的實(shí)驗(yàn)研究包括：化學(xué)分析、拉伸和沖擊測(cè)試、宏觀硬度（5次測(cè)量平均宏觀硬度（HB）為165以及金相學(xué)測(cè)試。

2.2 原始柱頭應(yīng)力狀態(tài)的數(shù)值識(shí)別

通過應(yīng)用線性有限元方法（FEM）來確定結(jié)構(gòu)臨界區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。通過綜合所有結(jié)構(gòu)件的三維模型，建立并展示了CWB支撐桁架的三維模型如圖3所示。

圖3 CWB支撐桁架的三維模型圖

臨界柱區(qū)域的三維模型，圖3中的框架細(xì)節(jié)，顯示了由4節(jié)點(diǎn)離散化的連續(xù)體四面體元素以創(chuàng)建FEM模型（370245個(gè)節(jié)點(diǎn)，1590103個(gè)元素），BCE屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，幾何構(gòu)型可變，使得外部分析成為加載非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體。負(fù)載具有出色的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性，因此計(jì)算的負(fù)載是完全意義上的假設(shè)。根據(jù)代碼進(jìn)行載荷分析，并采用軸向力Fa=3 000 kN作為代表性柱載荷[3-4]。

單向應(yīng)力的最大值是在法蘭厚度減小區(qū)域和肋骨端部獲得的，如下頁(yè)圖4所示，關(guān)鍵區(qū)域棒的應(yīng)力值為345MPa，高于允許值（270MPa）27.8%，并且非常接近通過測(cè)試獲得的屈服應(yīng)力值。

2.3 重新設(shè)計(jì)與優(yōu)化

為了減少應(yīng)力集中的不利影響，柱頭進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，如下頁(yè)圖5所示。從圖5可以看出，在原始柱頭結(jié)構(gòu)SC1和SC2幾乎在相同位置作用（圖5-1），而在重新設(shè)計(jì)的柱頭中，它們錯(cuò)位550mm（圖5-2）。除此之外，SC1從載荷引入的位置（螺栓連接，轉(zhuǎn)移關(guān)節(jié)），這在一定程度上減輕了應(yīng)力集中效應(yīng)。

圖4 CWB支撐桁架的計(jì)算模擬圖

圖5 CWB支撐桁架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

重新設(shè)計(jì)的柱頭離散化是通過與原始相同類型和尺寸的元素完成的列頭。

在設(shè)計(jì)立柱頭部修復(fù)和重建設(shè)計(jì)程序時(shí)必須在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)完整的程序，而不拆除BCE的子結(jié)構(gòu)上層建筑通過提升CWB來確保關(guān)鍵區(qū)域的分散。使用安裝在頂部的液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)臨時(shí)支撐的塔架。在建立可以進(jìn)入子結(jié)構(gòu)的臨時(shí)腳手架之后有必要安裝一種局部亞結(jié)構(gòu)固定的工具。接下來拆除板，以使得能夠切割和移除損壞的柱的頭部。在重新設(shè)計(jì)的立柱頭部建造后與CWB支撐桁架結(jié)構(gòu)的其余部分連接，對(duì)子結(jié)構(gòu)的幾何形狀和焊接接頭進(jìn)行了控制，并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆栏g保護(hù)。應(yīng)變儀方法用于在開采條件下實(shí)地測(cè)量。安裝前完成測(cè)量點(diǎn)的形成和測(cè)量系統(tǒng)初始狀態(tài)的確定，重新設(shè)計(jì)的柱子頭部處于完全不受負(fù)擔(dān)的狀態(tài)，準(zhǔn)確識(shí)別它們的壓力。重建后測(cè)量是在BCE從修復(fù)地點(diǎn)到露天的旅行期間以及在土壤開挖期間完成的[5]。

將最大測(cè)量的應(yīng)力值乘以由此計(jì)算的校正因子，我們獲得最大應(yīng)力在BCE旅行期間臨界區(qū)的價(jià)值，顯然，在BCE開采期間重新設(shè)計(jì)的柱頭中的最大應(yīng)力值低于允許的應(yīng)力值。最后，圖4注意到有趣的是，結(jié)果指出了BCE期間的最大應(yīng)力值旅行量大于挖掘過程中的約4.2%。

方案的設(shè)計(jì)方式要在現(xiàn)場(chǎng)條件下實(shí)現(xiàn)，沒有拆除任何BCE上層建筑組件。因此執(zhí)行重建所需的時(shí)間是由于BCE停機(jī)時(shí)間縮短和間接成本大大減少。原位測(cè)量結(jié)果充分證實(shí)了柱頭重新設(shè)計(jì)概念的有效性。除此之外，他們還指出，在BCE旅行期間，考慮下部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平高于土壤開挖期間。這個(gè)事實(shí)指出正確準(zhǔn)備BCE旅行路線的重要性[6]。

3 結(jié)論

根據(jù)材料測(cè)試和數(shù)值應(yīng)力識(shí)別的結(jié)果，在列頭臨界區(qū)對(duì)局部應(yīng)力分布（或多或少）有不利影響，即：法蘭厚度減小、肋骨末端影響、受負(fù)載影響的橫斷面。因此，柱頭重新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是盡可能減小應(yīng)力集中疊加的不利影響。結(jié)果指出重新設(shè)計(jì)的柱頭臨界區(qū)的最大應(yīng)力值是1.54倍，比原來的柱頭高，也低于允許的應(yīng)力值。最后，所提出的重建效率通過無故障開采來證實(shí)，本文實(shí)例的BCE大約有8.5×106t煤和1.8×106t的覆蓋層，符合全新設(shè)計(jì)的有效性。