电铲作为大型露天采矿的主要装备之一，用于矿山表面物的剥离和矿石的采装作业。按铲斗容量可分为：1m3以下的小型电铲，5m3以下的中型电铲，15m3以下的重型电铲和15m3以上的巨型电铲。图1是美国P&H公司4100XPC型电铲。目前世界上能自主研制55m3以上巨型电铲的企业，只有美国P&H公司、美国卡特彼勒、太原重工等三家，其中美国P&H公司全球市场占有率居世界第一位，我国的巨型电铲仍主要依赖于进口，因此提高国内巨型电铲的设计和生产水平，具有重要意义。
图1 美国P&H公司4100XPC型电铲
1 电铲的结构及工作原理
电铲主要由行走装置、回转框架、上部平台和挖掘机构四大部分组成，见图2。电铲的挖掘作业包括推压、提升、回转和卸料四个主要动作，其中，电铲挖掘机构的运动包括提升运动和推压运动。提升运动是由提升电机带动牵引钢丝绳实现的，推压运动是通过齿轮或钢丝绳推压斗杆实现的，最后通过提升运动与推压运动的配合完成挖掘过程。
图2 P&4100XPC型电铲三维模型
巨型电铲的斗杆结构主要有两种，一种是卡特皮勒公司采用的网形截面斗杆的钢丝绳推压式结构：另一种是美国P&H公司和太原重工采用的齿轮齿条的推压式斗杆结构，通过电机减速机带动推压齿轮运动，推压齿轮和斗杆上的齿条产生相对运动，从而调整铲斗的挖掘范围和卸料位置。
电铲在整个挖掘过程中铲斗的挖掘力都是通过斗杆传递的，因此斗杆结构的可靠性对安全生产和保障生产的连续性十分重要，要尽量防止斗杆在生产过程中发生弯曲和扭曲变形。
2 结构建模
根据美国P&H公司与中国一重合作制造的4100XPC型电铲的结构参数，在Inventor中对电铲进行三维实体建模。为提高仿真过程的效率，在建模过程中适当简化了部分不参与挖掘力和挖掘阻力传递的零部件和对分析计算结果影响不大的结构。
4100XPC型电铲的挖掘装置主要由动臂、天轮、斗杆、鞍座、铲斗、连杆、铲斗提梁和提升钢丝绳组成，如图3所示。
图3 挖掘装置示意图
3 挖掘装置的运动学分析
3.1 工况分析
在电铲进行挖掘作业过程中，斗杆的受力是复杂多变的。当斗齿切人矿石时，冲击载荷会通过铲斗直接传递到斗杆上，因此只要铲斗受到偏载就会造成斗杆的偏载。同时，斗杆两侧齿轮齿条传动的不同步也会造成斗杆的偏载。
电铲在装载物料的作业中是提升动作和推压动作的复合运动，斗杆围绕推压齿轮做近似网周运动。因此，当挖掘阻力力臂最长时是斗杆的最危险工况，即斗杆伸出最长时为斗杆的最危险工况。由于铲斗在空载和满载挖掘时对斗杆的冲击是不同的，本文分为8种工况对挖掘装置进行运动学仿真：
工况1：斗杆伸出最长，提升钢丝绳以额定提升力提升，铲斗满载的额定提升工况。
工况2：斗杆伸出最长，提升钢丝绳以额定提升力提升，铲斗空载的额定提升工况。
工况3：斗杆伸出最长，左右两侧推压力不对称，两侧推压齿条分别承受1/3和2/3推压力，铲斗满载的额定提升工况。
工况4：斗杆伸出最长，左右两侧推压力不对称，两侧推压齿条分别承受1/3和2/3推压力，铲斗空载的额定提升工况。
工况5：斗杆伸出最长，铲斗侧齿受到偏载，铲斗满载的额定提升工况。
工况6：斗杆伸出最长，铲斗侧齿受到偏载，铲斗空载的额定提升工况。
工况7：斗杆伸出最长，左右两侧推压力不对称，铲斗侧齿受到偏载，铲斗满载的额定提升工况。
工况8：斗杆伸出最长，左右两侧推压力不对称，铲斗侧齿受到偏载，铲斗空载的额定提升工况。
3.2 运动学仿真
在Inventor中对8种工况进行仿真需要根据4100XPC型电铲的相关设备参数计算各驱动力的大小，并选择力的作用点定义相应的载荷。本文针对各主要载荷作如下定义：额定提升力通过钢丝绳沿动臂天轮切线方向作用在铲斗提梁上；额定推压力通过推压齿轮直接作用在斗杆两侧推压齿条上；挖掘阻力和铲斗侧向力直接作用在铲斗斗齿上；铲斗内物料的重力变化作用在斗体和斗门上，如图4。根据在建模时定义的结构材料，系统在仿真过程中会自动加载各部件的重力进行计算，模拟挖掘机构实际运动过程中的受力情况。
图4 挖掘装置的外载荷示意图
由于在挖掘过程中铲斗是一直运动的，作用在铲斗侧齿上的横向挖掘阻力Wk的最大值是个变化值，Wk=MT/R。其中MT是回转机构的最大制动力矩，R是铲斗侧齿受力点到电铲回转中心的距离，在挖掘过程中是一个变化值。通过电机制动功率计算出MT=2.06×105N·m，将Wk定义为一个和R相关的函数进行运动仿真。最后，将最大挖掘深度和最大挖掘高度作为运动仿真的起点和终点位置，来模拟各工况下挖掘装置的运动。
在仿真完成后，根据斗杆各铰点在各时刻的受力曲线，选择各铰点受力最大的时刻，将斗杆导入应力分析环境进行有限元分析。
4 有限元分析
在对斗杆进行有限元分析前，需要对网格划分进行设置。根据斗杆的结构形式，外力主要通过两侧的齿条及4个分别与铲斗和连杆相连的铰点作用在斗杆上。在划分斗杆网格单元时，将以上主要受力位置和焊接接缝处的单元设置的相对小一些，如图5。为了让计算结果更为准确，本文将平均元素大小设置为0.1，把斗杆划分成了107234个单元进行分析，分析结果见表1。
图5 斗杆的有限元模型
表1 各工况中斗杆危险时刻所受应力情况
5 仿真结果分析
通过对比8种工况下的分析结果，发现斗杆在第8种工况中所受到的应力和产生的形变最大，达到了320MPa和118.2mm，如图6。但由于动臂对斗杆变形趋势的支撑和约束，斗杆尾部的弯曲变形仅为理论值，实际工作中不会产生变形。
图6 工况8条件下斗杆受应力最大时刻的分析结果
通过对比各工况的最大应力值，发现铲斗侧齿受到横向偏载的工况对斗杆的结构强度影响最大，斗杆与铲斗连接铰点处的变形趋势较大，同时，推压齿轮推压齿条的位置及扭矩筒与两侧箱梁连接处应力也较大。这与巨型电铲在使用过程中斗杆的疲劳破坏位置基本相同，这说明仿真结果是基本合理的。
美国P&H公司在制造斗杆时主要采用的是屈服强度为690MPa的PH166型钢板和屈服强度为345MPa的PH180型钢板，两种钢板的屈服强度都满足了相应位置的实际屈服强度需求。
随着国内炼钢工艺水平的提高，国内生产的高强度调质合金钢板屈服强度也能够达到600MPa以上，即使考虑动载荷冲击的安全系数，国内钢板的屈服极限也能够满足斗杆的强度要求，因此可以认为选用国产钢板制造巨型电铲的斗杆也是可行的。
6 结论
本文对美国P&H公司4100XPC型电铲进行了三维建模，选择危险工况对斗杆进行了运动学仿真和有限元分析；通过对仿真结果的分析完成了对巨型电铲国产化设计的探索，并为斗杆的国内制造和维修提供了一定的参考依据。然而，要真正意义上实现巨型电铲的国产化，还需综合考虑机构模态、焊接材料和焊接工艺等因素，并通过制造样机进行试验来检验相关理论计算数据，从而进一步的优化和完善设计。
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