矿用挖掘机回转动臂偏心角临界值研究

张 明，蔡安江

（西安建筑科技大学，陕西西安 710055）

0 引言

大型机械式挖掘机在矿山开采及工程施工中得到广泛的应用，大型挖掘机的性能和水平代表国家的工业水平和科学技术水平。销轴作为连接的重要部件，销轴累计磨损导致断裂，会降低挖掘机工作效率，甚至造成工程事故和人员伤亡。

许多学者对销轴的磨损进行了研究，范宁等[1]针对在重型卡车运行中，由于横向振动的影响使得联接车架与货箱的销轴磨损严重。根据多体动力学理论，建立车辆的横向振动模型，以此为基础搭建系统的数学模型，分析不同因素对磨损的影响。钟茗秋等[2]以港口起重机械作业环境和作业工况比较恶劣，易发生销轴磨损。利用有限元分析软件ANSYS 接触分析功能分析轮胎式起重机臂架根部销轴磨损前后对铰支座结构受力的影响。张蔚峰等[3]针对某大型重载悬挂发射装置的挂钩解锁异常现象，对挂钩组件的磨损因素进行了实验和仿真研究。

金堆城WK-4 矿用挖掘机WK-4A 型机械式挖掘机工作时暴露出结构问题，起重臂支撑踵与车架通过销轴连接，在工作过程中由于销轴所受剪力过大，导致销轴产生磨损，进而断裂，导致起重臂产生摆动，严重影响工作效率，甚至发生严重的工程事故。

选取挖掘机满载回转制动时作为分析工况，斗臂全伸出，方向处于水平，斗内装满矿石启动回转，在回转中制动。动臂方向受力为[4]式（1），纵向受力为式（2）。

式中 Q——提升力，N

Pt——与提升力Q 相对应的卷筒周边钢绳拉力，N

S——蹦绳力，N

Gbi——起重臂重力，作用于起重臂中心处

γ——与提升力相对应的卷筒周边钢绳拉力和起重臂的夹角

δ——绑绳与起重臂间夹角，δ=30°

α——起重臂与回转平台间夹角，α=45°

Lbi——起重臂长度

当平台回转启动或制动时，发生惯性力与离心力，造成起重臂的附加载荷。如图1 动臂根部的孔将会出现“啃”销轴及工作副间“别劲”的现象[5]。

孔体部分与销轴部分两点接触，受力特征为：δr-front≤0，δr-back＞0；δa-front＞0，δa-back＞0。其中，δ 为刺穿深度，r表示径向，a 表示轴向，front 表示前端面，back 表示后端面。随卸料周期增加，磨损程度增加，销轴及动臂的孔、孔和轴磨损后孔呈凹形，轴呈凸鼓形，对应磨段两端磨损严重，呈曲线过渡，孔两端在a、b 和f、e 四点处啃轴。d'、d、D'、D 表明工作副间孔、轴压力大[6]。

图1 孔和轴两点接触示意

1 销轴单次不磨损压下量深度临界值确定

在满载回转制动时，由于受倾覆力矩和惯性力的作用，动臂会有小幅度偏摆，造成动臂剪切销轴的情况，要使销轴达到不磨损，则临界条件为弹性变形转化到塑性磨损接触力的临界值。根据实际情况，起重臂与销轴连接处已磨损为初始加工倒圆角，建立如图2 的EPS 模型[7]：

在刚性压下的过程中，若仅考虑销轴的剪切变形和剪切强度，所得接触区的剪切变形模型如图2 所示。其中，倒圆角半径R2，δ 为压下量，α 为剪切角。AA'和BB'截面上的剪应力均匀分布。在压下过程中，若最大接触力小于塑性剪切力2σs（σs=τsA），则接触处于弹性加载阶段，根据剪切胡克定律得：

图2 弹塑性剪切变形模型（EPS 模型）

其中，F 为法向接触力，A 为截面面积，G 为剪切模量。在弹性变形阶段，线段AO 与弧AB 相切于A 点，剪切角α 很小，则有：

由于刚性质量倒圆角的压头对弧AB 以外区域表面曲率的影响很小，故忽略不计，由式（3）和式（4）得：

当法向接触力达到塑性剪切力2Qs，销轴开始发生剪切塑性变形，对应的临界角为，临界压下量为

2 质心的确定

回转制动时，由于受倾覆力矩和惯性力的影响，臂架会绕质心O 摆动。根据回转工况：铲斗满载、斗杆全部伸出、方向处于水平回转。设定起重臂、斗杆、铲斗质量分布基本均匀，建立直角坐标系，如图3 坐标系。

图3 质心坐标位置

其中，AB 表示铲斗和物料且其长度为l1、质量为m1；BO 表示斗杆且其长度为l2、质量为m2；CD 表示起重臂且其长度为l3、质量为m3；O1为AB 的质心其坐标为（xO1，0）；O2为BO 的质心其坐标为（xO2，0）；O3为CD 的质心其坐标为（xO3，yO3）；则整个工作装置的质心为式（6）和式（7）。销轴的质心坐标为（xD，yD）；距离销轴中心线的距离为式（8）。

3 偏心角临界值的确定

挖掘机回转制动时，此分析建立在支撑处已磨损导致动臂与销轴直接接触的情况，其圆角M 绕质心O旋转到磨损深度临界点处，如图4 所示。

其扇形MOM1的角度为偏心角临界值θ，计算公式为式（9）、式（10），其中QM'为弹性变形塑性变形转化的临界压下深度。

则理论上该WK-4 结构在其满载回转制动时刻其销轴理论达到不磨损时偏心角临界值为式（11）。

将偏心角控制在偏心角临界值，销轴将会达到不磨损。

4 结束语

通过对WK-4 的结构分析，为了使销轴不磨损，建立单次碰撞接触的EPS 的模型，得出弹性变形塑性变形转化的临界压下深度，应用几何关系确定工作装置的质心并求出偏摆半径，最后得出销轴不磨损的偏心角临界值。对于偏心角大于偏心角临界值的机构，需要以加支撑的方式将偏心角控制在偏心角临界值内，即实现理论上连接销轴不磨损。

图4 动臂与销轴接触过程简化