電鏟作為大型露天采礦的主要裝備之一，用于礦山表面物的剝離和礦石的采裝作業。按鏟斗容量可分為：1m3以下的小型電鏟，5m3以下的中型電鏟，15m3以下的重型電鏟和15m3以上的巨型電鏟。圖1是美國P&H公司4100XPC型電鏟。目前世界上能自主研制55m3以上巨型電鏟的企業，只有美國P&H公司、美國卡特彼勒、太原重工等三家，其中美國P&H公司全球市場占有率居世界第一位，我國的巨型電鏟仍主要依賴于進口，因此提高國內巨型電鏟的設計和生產水平，具有重要意義。
圖1 美國P&H公司4100XPC型電鏟
1 電鏟的結構及工作原理
電鏟主要由行走裝置、回轉框架、上部平臺和挖掘機構四大部分組成，見圖2。電鏟的挖掘作業包括推壓、提升、回轉和卸料四個主要動作，其中，電鏟挖掘機構的運動包括提升運動和推壓運動。提升運動是由提升電機帶動牽引鋼絲繩實現的，推壓運動是通過齒輪或鋼絲繩推壓斗桿實現的，最后通過提升運動與推壓運動的配合完成挖掘過程。
圖2 P&4100XPC型電鏟三維模型
巨型電鏟的斗桿結構主要有兩種，一種是卡特皮勒公司采用的網形截面斗桿的鋼絲繩推壓式結構：另一種是美國P&H公司和太原重工采用的齒輪齒條的推壓式斗桿結構，通過電機減速機帶動推壓齒輪運動，推壓齒輪和斗桿上的齒條產生相對運動，從而調整鏟斗的挖掘范圍和卸料位置。
電鏟在整個挖掘過程中鏟斗的挖掘力都是通過斗桿傳遞的，因此斗桿結構的可靠性對安全生產和保障生產的連續性十分重要，要盡量防止斗桿在生產過程中發生彎曲和扭曲變形。
2 結構建模
根據美國P&H公司與中國一重合作制造的4100XPC型電鏟的結構參數，在Inventor中對電鏟進行三維實體建模。為提高仿真過程的效率，在建模過程中適當簡化了部分不參與挖掘力和挖掘阻力傳遞的零部件和對分析計算結果影響不大的結構。
4100XPC型電鏟的挖掘裝置主要由動臂、天輪、斗桿、鞍座、鏟斗、連桿、鏟斗提梁和提升鋼絲繩組成，如圖3所示。
圖3 挖掘裝置示意圖
3 挖掘裝置的運動學分析
3.1 工況分析
在電鏟進行挖掘作業過程中，斗桿的受力是復雜多變的。當斗齒切人礦石時，沖擊載荷會通過鏟斗直接傳遞到斗桿上，因此只要鏟斗受到偏載就會造成斗桿的偏載。同時，斗桿兩側齒輪齒條傳動的不同步也會造成斗桿的偏載。
電鏟在裝載物料的作業中是提升動作和推壓動作的復合運動，斗桿圍繞推壓齒輪做近似網周運動。因此，當挖掘阻力力臂最長時是斗桿的最危險工況，即斗桿伸出最長時為斗桿的最危險工況。由于鏟斗在空載和滿載挖掘時對斗桿的沖擊是不同的，本文分為8種工況對挖掘裝置進行運動學仿真：
工況1：斗桿伸出最長，提升鋼絲繩以額定提升力提升，鏟斗滿載的額定提升工況。
工況2：斗桿伸出最長，提升鋼絲繩以額定提升力提升，鏟斗空載的額定提升工況。
工況3：斗桿伸出最長，左右兩側推壓力不對稱，兩側推壓齒條分別承受1/3和2/3推壓力，鏟斗滿載的額定提升工況。
工況4：斗桿伸出最長，左右兩側推壓力不對稱，兩側推壓齒條分別承受1/3和2/3推壓力，鏟斗空載的額定提升工況。
工況5：斗桿伸出最長，鏟斗側齒受到偏載，鏟斗滿載的額定提升工況。
工況6：斗桿伸出最長，鏟斗側齒受到偏載，鏟斗空載的額定提升工況。
工況7：斗桿伸出最長，左右兩側推壓力不對稱，鏟斗側齒受到偏載，鏟斗滿載的額定提升工況。
工況8：斗桿伸出最長，左右兩側推壓力不對稱，鏟斗側齒受到偏載，鏟斗空載的額定提升工況。
3.2 運動學仿真
在Inventor中對8種工況進行仿真需要根據4100XPC型電鏟的相關設備參數計算各驅動力的大小，并選擇力的作用點定義相應的載荷。本文針對各主要載荷作如下定義：額定提升力通過鋼絲繩沿動臂天輪切線方向作用在鏟斗提梁上；額定推壓力通過推壓齒輪直接作用在斗桿兩側推壓齒條上；挖掘阻力和鏟斗側向力直接作用在鏟斗斗齒上；鏟斗內物料的重力變化作用在斗體和斗門上，如圖4。根據在建模時定義的結構材料，系統在仿真過程中會自動加載各部件的重力進行計算，模擬挖掘機構實際運動過程中的受力情況。
圖4 挖掘裝置的外載荷示意圖
由于在挖掘過程中鏟斗是一直運動的，作用在鏟斗側齒上的橫向挖掘阻力Wk的最大值是個變化值，Wk=MT/R。其中MT是回轉機構的最大制動力矩，R是鏟斗側齒受力點到電鏟回轉中心的距離，在挖掘過程中是一個變化值。通過電機制動功率計算出MT=2.06×105N·m，將Wk定義為一個和R相關的函數進行運動仿真。最后，將最大挖掘深度和最大挖掘高度作為運動仿真的起點和終點位置，來模擬各工況下挖掘裝置的運動。
在仿真完成后，根據斗桿各鉸點在各時刻的受力曲線，選擇各鉸點受力最大的時刻，將斗桿導入應力分析環境進行有限元分析。
4 有限元分析
在對斗桿進行有限元分析前，需要對網格劃分進行設置。根據斗桿的結構形式，外力主要通過兩側的齒條及4個分別與鏟斗和連桿相連的鉸點作用在斗桿上。在劃分斗桿網格單元時，將以上主要受力位置和焊接接縫處的單元設置的相對小一些，如圖5。為了讓計算結果更為準確，本文將平均元素大小設置為0.1，把斗桿劃分成了107234個單元進行分析，分析結果見表1。
圖5 斗桿的有限元模型
表1 各工況中斗桿危險時刻所受應力情況
5 仿真結果分析
通過對比8種工況下的分析結果，發現斗桿在第8種工況中所受到的應力和產生的形變最大，達到了320MPa和118.2mm，如圖6。但由于動臂對斗桿變形趨勢的支撐和約束，斗桿尾部的彎曲變形僅為理論值，實際工作中不會產生變形。
圖6 工況8條件下斗桿受應力最大時刻的分析結果
通過對比各工況的最大應力值，發現鏟斗側齒受到橫向偏載的工況對斗桿的結構強度影響最大，斗桿與鏟斗連接鉸點處的變形趨勢較大，同時，推壓齒輪推壓齒條的位置及扭矩筒與兩側箱梁連接處應力也較大。這與巨型電鏟在使用過程中斗桿的疲勞破壞位置基本相同，這說明仿真結果是基本合理的。
美國P&H公司在制造斗桿時主要采用的是屈服強度為690MPa的PH166型鋼板和屈服強度為345MPa的PH180型鋼板，兩種鋼板的屈服強度都滿足了相應位置的實際屈服強度需求。
隨著國內煉鋼工藝水平的提高，國內生產的高強度調質合金鋼板屈服強度也能夠達到600MPa以上，即使考慮動載荷沖擊的安全系數，國內鋼板的屈服極限也能夠滿足斗桿的強度要求，因此可以認為選用國產鋼板制造巨型電鏟的斗桿也是可行的。
6 結論
本文對美國P&H公司4100XPC型電鏟進行了三維建模，選擇危險工況對斗桿進行了運動學仿真和有限元分析；通過對仿真結果的分析完成了對巨型電鏟國產化設計的探索，并為斗桿的國內制造和維修提供了一定的參考依據。然而，要真正意義上實現巨型電鏟的國產化，還需綜合考慮機構模態、焊接材料和焊接工藝等因素，并通過制造樣機進行試驗來檢驗相關理論計算數據，從而進一步的優化和完善設計。
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