挖掘装载机斗齿强度仿真研究-工程机械

田春来，张 均，聂 涛
（萍乡学院，江西 萍乡 337000）

摘 要：采用有限元法对冲击载荷作用下的某型矿用挖掘装载机斗齿结构强度进行计算，获得并分析了不同侧面内凹圆弧直径齿形结构的受力及变形情况。结果表明，相比两侧称对称平面的斗齿，一侧存在内凹圆弧面的斗齿在载荷作用下会发生总体结构弯曲，在一定程度上缓解了销孔处的应力集中。随着斗齿内凹侧外圆直径变大，最大位移和反作用力均有所升高，而最大应力则在直径为200mm时出现极大值，随后逐渐降低并趋于稳定。

关键词：斗齿；挖掘装载机；有限元法；机械设计

矿用挖掘装载机又称为扒渣机，是一种广泛用于井巷矿山综合采掘和隧道快速掘进的工程机械装备。由于矿山井巷隧道空间和工作条件限制，挖掘装载机普遍采用紧凑型设计方式，总体结构包括行走机构、工作机构、运输机构和驾驶室总成等四个主要部分。本文所研究的某型号挖掘装载机采用履带式行走机构，其三维模型如图1所示。在工作过程中，挖掘装载机通过前方工作机构实现矿石岩土挖掘扒渣，并通过运输结构完成输运，直接将渣土送入后面矿车，从而实现连续挖掘和掘进。挖掘装载机总体外型尺寸矮小，坚固耐用，操作灵活且方便简单，生产效率较高，可以实现连续不间断运转，进而实现快速掘进。

图1　履带式矿用挖掘装载机三维模型

在挖掘装载机连续挖掘和掘进过程中，挖斗前部的斗齿直接与矿石岩土接触。通过斗齿与矿石岩土的撞击、切削和摩擦等复杂作用，实现矿石岩土挖掘扒渣。不论是挖掘装载机，还是各类类似的挖掘机等工程机械，斗齿工作环境都是极其恶劣。斗齿是整机最易损失效的零部件之一，维修和更换斗齿占用了大量的设备维护时间和生产成本[1]。为了提高斗齿性能和寿命，研究者在岩土切削作用机理、零件材料选择、金属加工工艺处理和零件结构优化设计等方面进行了研究[2-5]。为了进一步了解某型号挖掘装载机的斗齿受力情况及性能，本文采用有限元仿真计算方法，对斗齿结构强度及受力情况进行计算，分析并获得主要结构参数对受力情况的影响。

1.1　结构强度分析理论方程

在装载机工作过程中，斗齿与矿石岩土之间会发生撞击、切削和摩擦等复杂的动态的相互作用。综合考虑使用安全系数、计算效率和模型简化等方面因素，在初步设计阶段可以采用静力学模型近似，即将斗齿结构损伤较大的撞击过程近似为撞击力作用下的静力学响应问题。简化后的结构强度分析静力学问题基本模型可以描述为：

其中，K为刚度矩阵，U为位移矢量，Fa为外力载荷，Fb为反作用力载荷。另外，还包括应力应变本构方程如下：

其中，σ为应力矩阵，E为弹性系数矩阵，ε为应变矩阵。

上述方程构成的静力学模型可以通过有限元法进行求解以获得位移、应力应变等结果，并进一步开展结构强度分析。

1.2　网格模型

在有限元分析软件中对斗齿整体结构进行有限元网格划分，采用C3D8六面体单元类型。为了进行结构参数化分析，依据一侧内凹圆弧面直径从0至600mm（以100mm为间隔），依次设计了六种结构相近的斗齿并进行了计算。其中，A、B和C三种型号（形状）的斗齿如图2所示。A型斗齿两侧为均等平面（对应外圆直径为0），B型斗齿一侧内凹一个较小圆弧面（对应外圆直径为300mm），C型斗齿一侧内凹一个较大圆弧面（对应外圆直径为600mm）。

图2　斗齿有限元网格模型（从左至右依次为A、B和C型）

1.3　定解条件

在边界条件设定上，由于采用了前述静力学假设，因此，在斗齿上部边缘实施固定约束。在载荷施加上，参考文献[6]获得的挖掘装载机斗齿最大冲击载荷计算方法，对斗齿底部齿尖平面施加法线方向的冲击载荷。斗齿部件材料选用高锰钢（ZGMn13）。

2.1　计算结果

通过计算获得有限元结构强度仿真结果如图3至图5所示。从图3可以看到，由于A型斗齿两侧平面相等且对称，其在冲击载荷作用下的结构受力呈现对称压缩趋势，其最大应力和最大反作用力都出现在斗齿上部销孔处，最大位移出现在被冲击压缩的齿尖平面。对于图4显示的B型斗齿，由于其一侧存在内凹圆弧面，因此，斗齿总体结构变形发生了弯曲。B型斗齿最大应力出现在内凹圆弧面中部，最大位移出现在靠近内凹侧的齿尖平面，最大反作用力出现在销孔处。对比A型斗齿，B型斗齿的内凹侧结构设计在一定程度上降低了斗齿上部销孔处的应力。C型斗齿计算结果如图5所示。最大应力、位移和反作用力基本区域与B型斗齿相似。由于C型斗齿内凹侧圆弧半径更大，斗齿内凹侧较大应力区域相比B型斗齿面积更大，分布也更加均匀。

2.2　最大应力变化

冲击载荷作用下的不同型号斗齿应力变化曲线如图6所示。随着斗齿齿形一侧外圆直径变大，最大应力逐渐增大。当直径为200 mm时，出现最大应力的极大值，随后最大应力逐渐降低。当直径超过400 mm时，随着直径继续增大，最大应力数值变化趋于平缓，基本相同。

图3　A型斗齿计算结果（从左至右依次为应力、位移和反作用力）

图4　B型斗齿计算结果（从左至右依次为应力、位移和反作用力）

图5　C型斗齿计算结果（从左至右依次为应力、位移和反作用力）

图6　不同型号斗齿最大应力变化曲线(www.xing528.com)

2.3　最大位移变化

不同型号斗齿最大位移变化曲线如图7所示。从图7中可以看到，随着斗齿齿形一侧外圆直径变大，斗齿冲击载荷作用下的最大位移逐渐变大。其中，在外圆直径200mm至400mm之间增大幅度较为平缓。

图7　不同型号斗齿最大位移变化曲线

2.4　最大反作用力变化

从结构分析和上述计算结果可以看大，斗齿最大反作用力均出现在斗齿销孔处。不同型号斗齿最大反作用力变化曲线如图8所示。从图8中可以看到，随着外圆直径变大，斗齿销孔最大反作用力逐渐升高，当直径超过300mm后，作用力升高速率相比之前有所加大。

图8　不同型号斗齿最大反作用力变化曲线

通过结构强度分析对挖掘装载机斗齿结构强度进行了分析，获得了不同类型不同侧面内凹圆弧直径齿形结构在冲击载荷作用下的受力及变形情况。研究发现，随着斗齿内凹侧外圆直径变大，最大位移和最大反作用力均有所升高。当直径为200mm时，最大应力出现极大值，随后逐渐降低，并在直径达到400mm后趋于稳定。

相比两侧均为平面的等腰三角形斗齿，一侧存在内凹圆弧面的斗齿在冲击载荷作用下将发生总体结构弯曲变形，这在一定程度上降低了斗齿上部销孔处的应力。同时，随着内凹圆弧面直径变大，弯曲区域面积有所增大，弯曲区域应力分布更加均匀。在此基础上，后续将进一步围绕齿形结构优化设计开展深入研究。

参 考 文 献

[1] Yang C, Huang K, Yinwu L, et al. Review for Development of Hydraulic Excavator Attachment[J]. Energy Science & Technology, 2012, 3(2): 93-97.

[2] 陈再良, 李亚兰. 矿用挖掘机斗齿的研制[J]. 矿山机械, 1992，（9）: 9-11.

[3] 孙方红, 马壮, 黄凤岐,等. 提高矿用挖掘机斗齿性能的研究进展[J]. 热加工工艺, 2011, 40（21）:58-60.

[4] Singla S, Kang A S, Grewal J S, et al. Wear Behavior of Weld Overlays on Excavator Bucket Teeth [J]. Procedia Materials Science, 2014, 5:256-266.

[5] 张琰, 黄河, 任露泉. 挖掘机仿生斗齿土壤切削试验与减阻机理研究[J]. 农业机械学报, 2013, 44（1）: 258-261.

[6] 苏宇龙, 黄松和, 江小亮,等. 挖装机工作装置瞬态动力学仿真与分析[J]. 机械设计与制造, 2013,（2）: 144-146.

〔责任编校：范延琛〕

Simulation on Structure Strength of Bucket Teeth in Mine Loader

Tian Chunlai, Zhang Jun, Nie Tao
(Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000, China)

Abstract：The strength and stress of the bucket tooth structure of a mining loader under the impact load is analyzed through the finite element method. The reaction force and deformation of the tooth structure with the circular arc diameters in different types are obtained. The results show that, under the action of the load, the teeth overall structure of one side of the inner concave arc surface appears with bending. It is different from the tooth with both sides of the symmetric plane. The arc surface relieves the stress concentration at the pin hole. And as the diameter of the outer circle of the bucket tooth becomes larger, the maximum displacement and the reaction force are increased. At the same time, the maximum stress occurs when the diameter is 200 mm, and then it decreases and tends to be stable.

Key words：bucket teeth; mine loader; FEM; mechanical design

中图分类号：TD422

文献标识码：A

文章编号：2095-9249（2016）03-0012-04