边坡清筛机挖掘斗轮铲斗国产化研究

刘军

摘 要：对BS1200边坡清筛机挖掘斗轮铲斗的挖掘阻力进行计算并做有限元分析，对铲斗国产化进行论证，这对于降低生产及日常使用成本有着极其重要的意义。

关键词：挖掘斗轮；铲斗；挖掘阻力；有限元分析；铲斗材质

BS1200型边坡清筛机主要用于线路两侧道床边坡的清筛作业，挖掘斗轮是一种大型、高效的机械设备。在挖掘过程中，由于铲斗在作业过程中不断磨耗，因此在使用中，不可避免会出现损坏，因此更换铲斗的费用也需纳入使用全寿命成本中进行考虑。同时，在生产过程中，也可以逐步考虑国产化。因此，文章此处对挖掘斗轮铲斗部分国产化进行研究、讨论。通过计算挖掘过程中铲斗受到的挖掘阻力并分析得出铲斗应力图及形变图。初步分析铲斗材料的选择与优化。

1 铲斗受力分析

铲斗以机械方式将道砟从道床上剥离出来，这是一个很复杂的过程，在此过程中，道砟发生松散及一部分受到压缩。因此产生阻力及道砟与道砟间的摩擦力和道砟与铲斗间的摩擦力。

在挖掘过程中，道砟与铲斗切削刃上的力称为切削阻力。为了研究方便，我们把铲斗和切削刃与道砟之间的摩擦力统一当做切削阻力进行研究。切削力与切削装置作用在土壤上。其大小和土壤切削阻力大小相同，方向相反。道砟剥离后，向铲斗内流动，流动中，道砟与道砟和道砟与切削装置之间产生摩擦。同时，流动受到铲斗后壁阻碍还会产生附加阻力。因此，切削装置还要克服这些摩擦力和附加阻力。这些附加阻力形成装石阻力。当铲斗有效容积不变时，增大切屑厚度h和减小切屑宽度b，或者保持b/h的比值不变而增大切屑断面面积A，都可以减小切削阻力。但h太大或b太小，由于侧壁的影响，阻力将会增加。较合理的尺寸是b>50cm，h=（0.1～0.33）b。在这种情况下，切削厚度变化对阻力的影响很小，可以忽略不计。

边坡清筛机挖掘铲斗参与挖掘过程时，其有效挖掘尺寸为斗轮厚度B=770mm，H约为200mm，H=0.26B，因此，在计算中忽略切削厚度变化对阻力的影响。根据资料提供公式：

式中：C-表示道砟的硬度系数，IV级土取C=160～350，在此取350；R-铲斗的切削半径，铲斗斗尖至与斗轮连接处的距离，单位厘米，R=45cm；？渍max-铲斗在挖掘中总转角的一半；查资料取等效？渍max=60°；？渍-铲斗瞬时转角

kb-切削刃宽度影响系数，kb=1+2.6B，其中B为铲斗宽度，单位为米。kb=3.002

ka-切削角影响系数，ka=1.3

kz-无斗齿系数，kz=1

kx-斗侧壁厚度影响系数，kx=1+0.03S，S为侧壁厚度，单位为CM。初步计算取kx=1.1

D-切削刃挤压土壤分力，斗容量小于0.5立方米D应小于10000。

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

斗型装置的切向挖掘阻力Fw1和法向挖掘阻力Fw2的关系可用系数ξ0表示：Fw2=ξ0W1max。ξ0取值0.4。Fw2=28.25KN。

则铲斗收到合力大小为：W=76.05 方向与法向夹角22°。

实际挖掘中，斗轮120°范围内包含8个铲斗。因此，总挖掘阻力：Wa≈8W=608.4KN。实际中各斗轮受力方向不同。分量到挖掘阻力上，不能达到计算最大值。同时由于边坡清筛机挖掘时，具有一定前进速度，又客观上增加了实际挖掘阻力，通过计算值与实测挖掘阻力曲线对比，计算结论与测定挖掘阻力相当（如图1所示）。

2 铲斗材料的选择

铲斗受力有限元分析（材质Q345）（如图2所示）：

通过对铲斗受力的有限元分析：Q235同样能够满足铲斗强度要求，但由于与Q345价格相差不大，且Q345经渗碳淬火后其表面硬度及心部韧性能更好的满足铲斗工作特性要求。因此铲斗材料选用Q345。但由于道砟多为特级花岗岩，其莫氏硬度普遍为6-7。属于较为坚硬材质。为提高铲斗耐磨性，只能尽量提高铲斗表面硬度，尽量使铲斗处于软磨料磨损状态，提高其使用寿命。16Mn经碳氮共渗后淬火，其表面硬度能达到HRC48以上。因此整体选用低合金钢16Mn，下部唇板及侧部护板为进一步增加寿命采用NM400。主要是提高其表面硬度和耐磨性。NM400性能整体优于16Mn，因此为方便分析，有限元分析时整体材质选用16Mn。

3 强度校核

3.1 强度校核

从强度校核计算可知：铲斗有足够的强度，铲斗的变形很小，最大位移量为0.176mm。总体来说，铲斗侧壁顶部受到应力最大，但仍远远低于许用应力，大部分区域都低于55N/mm2。因此，斗轮整体强度满足要求。

3.2 结果分析

（1）斗体前部的唇板和两侧的护板对改善铲斗的挖掘性能和提高斗体的使用寿命起到了很大作用。（2）铲斗在挖掘过程中基本不具有柔性，铲斗变形量很小。因此，挖掘斗轮结构需有缓冲装置，以缓解力的作用，增加运用安全性。（3）以上计算是在铲斗简化模型上进行的。因此，铲斗的实际强度仍有较大冗余。只是在计算分析中未考虑螺栓连接强度，在实际选用中还需另行考虑、选择。同时，网格划分的精确程度不同，计算精度存在一定的偏差，但总体不影响对铲斗整体强度的分析结果，完全可供设计参考。

参考文献

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