立方井下铲运机桥结构优化设计与疲劳寿命分析研究

摘要：本文探讨立方井下铲运机桥结构优化设计与疲劳寿命分析研究方法，详细阐述有限元模型构建技术和力学性能校核流程，介绍参数化设计方法在桥结构优化中的应用策略，深入分析应力循环特性获取途径和载荷谱编制方法，系统讲解多种疲劳寿命预测模型的选择依据及适用条件，论述疲劳寿命评估过程中关键参数确定和评价标准，所提方法对提高立方井下铲运机桥结构可靠性和延长使用寿命具有重要指导意义。

关键词：立方井下铲运机；桥结构；有限元分析；优化设计

引言：立方井下铲运机作为矿山井下开采作业中的关键设备，承担着矿石铲装与运输的重要任务。桥结构作为铲运机的核心承载部件，其性能直接影响铲运机的运行稳定性、可靠性和使用寿命。在复杂的井下工作环境中，桥结构承受着交变载荷、冲击载荷等多种载荷作用，容易出现疲劳损伤甚至断裂等问题，导致设备故障频发，维修成本增加，生产效率降低。因此，开展立方井下铲运机桥结构的优化设计与疲劳寿命分析研究具有重要的现实意义。

一、立方井下铲运机桥结构优化设计与疲劳寿命分析的必要性

立方井下铲运机桥结构性能和可靠性提升以及使用寿命延长需要开展优化设计与疲劳寿命分析， 这已成为矿山设备研发中不可或缺的环节， 通过桥结构形状、尺寸、材料等参数改进能有效提高力学性能， 同时降低应力集中点位置并增强整体承载能力; 而且疲劳寿命分析能够精确预测桥结构在多种复杂工况下可能达到的使用周期， 进而为设备日常合理使用和科学维护提供专业指导依据[1]。矿山作业环境复杂多变导致结构长期承受反复冲击载荷与交变应力， 桥结构优化研究有助于减少设备因疲劳破坏带来的各类安全事故风险， 最终实现经济损失降低与生产效率提升的双重目标。

二、立方井下铲运机桥结构优化设计

（一）有限元模型建立

立方井下铲运机桥结构三维模型构建需依据实际结构尺寸参数，借助专业CAD设计软件完成精确建模工作，模型精度直接影响后续分析可靠性；完成建模后将三维模型导入有限元分析软件平台，进行高质量网格划分处理并设置材料特性参数，合理选择单元类型和网格密度对提高计算效率至关重要，网格划分质量直接决定计算结果准确性；模型边界条件和载荷施加方式需严格依据实际工况确定，确保有限元模型与实际工作状态高度吻合，通过反复验证和调整建立准确可靠的桥结构有限元分析模型，为后续力学性能分析和优化设计奠定坚实基础，模型修正过程中还需考虑几何非线性和材料非线性因素，确保计算模型能够真实反映桥结构在复杂载荷作用下的力学响应特性。

（二）力学性能校核

立方井下铲运机桥结构力学性能校核包括静力学和动力学双重分析，通过有限元计算获取不同工况下应力分布云图、变形趋势和应变特性，重点关注最大应力位置和应力集中区域；复杂工况分析涵盖满载运行、坡道爬升、急转弯行驶等典型作业场景，全面评估各工况对桥结构产生的力学影响，特别关注动载系数和冲击载荷引起的瞬时应力变化；校核结果需与材料安全性能指标进行对比分析，计算安全系数是否满足设计要求，识别结构薄弱环节和潜在风险点，应力超标区域需标记并详细记录，为后续优化设计提供精确数据支撑和改进方向，力学性能校核过程中还需考虑温度变化、腐蚀环境等因素对结构长期性能的影响，模态分析和谐响应分析可揭示桥结构的动态特性和共振风险[2]。

（二）优化设计

立方井下铲运机桥结构优化设计基于力学性能校核结果开展，针对应力集中区域进行重点改进，通过调整桥结构局部尺寸参数、优化结构形状和合理分配材料分布降低最大应力值；结构优化过程采用参数化设计方法，建立设计变量与目标函数关系模型，在满足强度刚度要求基础上追求结构轻量化，减少冗余材料使用；高强度材料在关键部位的合理应用能显著提升桥结构整体性能，同时考虑焊接工艺和制造成本控制，优化后桥结构重量降低能有效提高铲运机机动性和作业效率，多目标优化算法的应用使设计方案更具工程实用价值，最终形成兼顾强度、刚度、重量和制造工艺的综合优化设计方案，拓扑优化和形状优化相结合的方法可进一步挖掘结构潜力，实现桥结构在保证安全可靠前提下的极致轻量化。

三、疲劳寿命分析

（一）应力循环特性分析

立方井下铲运机桥结构应力循环特性分析需结合井下真实工况开展，通过现场实测和有限元仿真相结合的方式获取关键数据，实测数据采集可使用应变片技术在桥结构关键位置布置测点，记录实际作业过程中的应力时程，雨流计数法用于提取应力循环信息并统计应力幅值分布；有限元仿真则可模拟更多典型和极端工况，建立载荷谱数据库并计算各工况下的动态应力响应，关注应力幅值、平均应力、应力比等参数，随机振动分析能有效反映矿石装载过程中的随机冲击载荷对结构的影响；载荷谱编制需综合考虑铲运机作业频次、路况条件、装载量变化等因素，利用统计学方法处理海量应力数据，生成代表性载荷谱为疲劳寿命预测奠定数据基础，应力循环特性的准确获取直接影响疲劳寿命预测的精确度。

（二）疲劳寿命预测模型

立方井下铲运机桥结构疲劳寿命预测模型选择应基于应力循环特性分析结果，常用预测模型包括基于名义应力的线性累积损伤模型、修正Goodman模型以及基于局部应变的E-N模型等，线性累积损伤模型计算简便但忽略了载荷顺序效应，适用于初步评估；修正Goodman模型考虑了平均应力的影响，通过建立等效完全反向应力来修正S-N曲线，精度较高但需要较多材料参数；E-N模型基于局部应变理论，能更准确地描述塑性变形和小周期疲劳行为，适用于应力集中区域的分析；各模型的关键在于材料疲劳性能参数的准确获取，可通过标准试样疲劳试验获得材料S-N曲线、ε-N曲线等基础数据，考虑尺寸效应、表面质量、环境因素等修正系数使预测结果更接近实际情况，多轴应力状态下需采用等效应力准则转化为单轴状态进行计算[3]。

（三）疲劳寿命评估

立方井下铲运机桥结构疲劳寿命评估过程基于选定的预测模型开展，结合载荷谱数据和应力分析结果计算各关键部位的疲劳损伤累积值，Miner线性累积损伤理论被广泛应用于工程实践，累积损伤值达到1时视为结构疲劳失效；评估过程中需综合考虑各种工况下的应力循环次数及其在总寿命中的权重，对于复杂载荷历程可采用雨流计数法提取等效循环并计算损伤量；特别关注应力集中区域和焊接接头等薄弱环节，焊接接头评估通常采用热点应力法或结构应力法，考虑焊接残余应力和几何不连续性的影响；疲劳寿命评估结果若不满足设计要求则需进行优化改进，包括调整结构形状降低应力集中、改善焊接工艺提高接头质量、采用疲劳性能更优的材料或进行表面强化处理等，建立疲劳寿命评估数据库有助于指导设备维护计划制定和关键部件更换周期确定。

结论：本研究系统阐明立方井下铲运机桥结构优化设计与疲劳寿命分析方法体系，从有限元建模到力学性能校核再到优化设计形成完整技术路线，应力循环特性分析与载荷谱编制方法充分考虑井下环境特点，多种疲劳寿命预测模型对比讨论揭示各自适用条件与局限性，疲劳寿命评估方法对焊接接头等薄弱环节给予特别关注，这套方法体系具有较强工程实用性，为矿山设备结构设计提供理论指导，推动井下铲运机性能提升与使用寿命延长。

参考文献：

[1]李松阳.基于能量流分析的新能源地下铲运机能耗优化研究[J].有色金属（矿山部分），2024，76（2）：161-169.

[2]刘丹清，郑迎庆.一种结构强度高的矿山铲运机驱动桥：CN202120899203.4.

[3]苑昆.地下铲运机混合动力系统设计研究[D].北京：北京科技大学，2020（2）：15-16.