齐善朋

（辽宁轨道交通职业学院，辽宁 沈阳 110023）

斗轮挖掘机是一种适用于露天矿层采掘和物料搬运的常用设备，斗轮挖掘机具有连续化作业、作业范围广、生产效率高等一系列优点，应用于大型露天矿山的开采作业，主要应用在露天矿层的土壤剥离、矿料采掘、矿料搬运、物料装载作业等。此外，斗轮挖掘机在散料堆取料场、大型土建和土石方工程中也逐渐得到广泛的应用。斗轮挖掘机的工作原理是物料经过其前端斗轮挖掘机斗体的挖掘切削作业，该挖掘切削作业以挖掘臂架回转和斗轮体旋转的复合运动轨迹来进行作业，然后经过斗轮旋转提升后物料在斗轮顶端落至输送皮带机上再运输到指定地点，实现物料的切削和运输。

1 斗轮挖掘机的组成

斗轮挖掘机是能够进行高效连续作业的工程机械，斗轮挖掘机的斗轮体上装载着多个挖斗装置，它利用挖掘臂架的回转和斗轮体自身旋转组成复合运动，使铲斗能够持续挖掘硬质物料。它的结构主要由运行装置、走行机构、旋转装置及液电气系统和结构辅助系统组成。运行装置包括斗轮体、挖掘臂架、受料输送机、排料装置及其他辅助装置；旋转装置则由回转支撑结构和多个驱动电机等组成。回转结构的上部连接臂架结构，挖掘臂架与臂架梁连接，斗轮挖掘机利用回转结构的旋转带动挖掘臂实现回转作业。

2 斗轮挖掘机履带底盘的作用

斗轮挖掘机履带底盘是履带式挖掘机的支承装置，起到支承挖掘机所有机构的质量以及承受斗轮挖掘机在工作过程中所受的力，并能实现斗轮挖掘机工作性和转场性的走行移动。走行机构由驱动电机、履带板、走行车轮等组成，当驱动电机运转时带动主动轮旋转，同时带动履带运动来实现斗轮挖掘机整体的向前运行。

3 斗轮挖掘机履带底盘建模分析

根据斗轮挖掘机履带底盘设计图纸和国家钢结构设计规范(GB 50017—2010)，建模时履带底盘板壳结构需要遵循如下原则：

（1）各底盘板件的厚度方向以各个板厚的中分面位置来确定。

（2）因结构和工艺需要加装的肋板或者筋板，对仿真计算结果分析的影响可忽略不计，在建立仿真有限元模型时可以不予考虑。

（3）在真实受力中，各个钢板不仅要承受拉压应力，还承受弯矩，因此有限元分析时板单元类型需要采用弯曲板单元。

履带底盘部分包括车架和履带架，车架和履带架通过连接垫板和连接座连接，但是连接垫板的结构不利于安装，本文采用履带架法兰与车架法兰连接，模型如图1 所示。

图1 履带底盘有限元模型

履带底盘部分由钢板组焊而成，根据履带底盘的结构特点和受力分析情况，在有限元分析时把履带底盘钢结构各部分均等效为弹性板单元，因此履带底盘部分按板壳结构(SHELL63)来进行建模，计算三维模型参见图2。履带底盘部分的板构件材料为Q345，采用SHELL63 单元，按中性层建模，点单元采用MASS21 单元，对其划分网格，共有58 348 个单元，56 380 个节点。

其约束情况为：

（1）小转台连接面上的所有节点刚化到其中心点，在中心点处加载。

（2）大转台连接面上的所有节点刚化到其中心点，在中心点处加载。

（3）承重轮处，对应轴孔圆上节点刚化到两圆心连线中心点上，在中心点处施加约束。

（4）法兰连接处，对应圆孔上节点刚化到各自中心点，对两中心点进行耦合，只放开Z 向。

（5）连接座处，将连接座与车架连接板接触线分为对称的两段，分别刚化后进行耦合，只放开X 向。

施加约束后如图2 所示。

图2 履带底盘网格划分及约束

4 工况加载情况

在履带底盘的强度校核中，当取料臂幅度最大（与地面水平）、取料臂与取料臂成90°时，履带底盘的受力最不利，因此只计算这种情况；共有4 种载荷状态：主载荷、附加载荷、非工作风载和物料堵塞；每种载荷状态计算三种工况：取料臂与下车纵轴线成0°、45°、90°。这12 种工况的载荷组合如表1 所示。

表1 载荷组合

5 有限元计算结果和分析

综合履带底盘以上12 种工况，工况3 中取料臂与下车纵轴线成90°时斗轮挖掘机小转台结构最大应力为286.044 MPa，最大应力出现的位置主要有承重轮处、连接座处及车架内竖板下边缘处，如图3所示。但区域非常小，存在应力集中，产生原因是由于此处结构限制导致的网格质量问题以及约束位置刚性区域导致的刚度突变，可以忽略，因此履带底盘结构强度满足要求。其他区域小于所用材料的许用应力，符合强度要求。该工况中履带底盘位移为3.245 mm，如图4 所示，也满足材料要求。

图3 工况3 中90°时履带底盘等效应力云图

图4 工况3 中90°时履带底盘位移分布

通过对履带底盘有限元模型的受力分析表明，履带底盘的强度、刚度都小于许用值，部分应力集中对部分可以通过优化设计，去除应用集中影响，起到既满足使用要求，又减少履带底盘自身质量和节省材料的目的。

本文为履带底盘的设计进行了有限元分析，节省了设计时间，提高了设计质量，同时也为斗轮挖掘机整体设计提供了参考和帮助。