礦用裝載機鏟斗強度分析

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1、礦用裝載機鏟斗強度分析 礦用裝載機鏟斗強度分析 2016/09/23 《長春工程學院學報》2016年第2期 摘要： 建立了礦用裝載機三維模型，并分析鏟斗的受力情況，針對鏟斗插入、鏟取和提升３個不同階段，在ＡＢＡＱＵＳ有限元分析軟件中完成了不同邊界條件和載荷的施加，得到裝載機鏟斗的受力分布規(guī)律，輸出了鏟斗不同工作狀態(tài)下的等效應力云圖和等效位移云圖。結果表明，鏟斗的最大等效應力和最大等效位移均在鏟取階段，插入階段的應力和位移最小，提升階段

2、的應力和位移介于兩者之間。 關鍵詞： 礦用裝載機；鏟斗；強度分析 ０引言 裝載機是機械應用中十分常見的大型機械，具有生產(chǎn)效率高、可靠性高、工作環(huán)境廣、操作簡單等優(yōu)點，已廣泛的應用于煤炭、礦山開采、道路基礎設施建設、水利水電施工、國防建設和公用性基礎設施建設等場合［１－３］。裝載機的主要工作部件由鏟斗、搖臂、連桿、動臂及配套的液壓缸裝置構成［４］。在工作過程中，鏟斗是完成整個工作指令的執(zhí)行部件，主要靠鏟斗的斗齒和土壤、巖石等發(fā)生切削作用，將土壤等鏟入鏟斗內完成整個動作指令。鏟斗在整個工作過程中易受到較大的沖擊外力，在和堅硬物體的接觸

3、滑移過程中容易造成劇烈的磨損［５－６］。所以，鏟斗直接影響著整個裝載機的性能與壽命，本文針對裝載機鏟斗的強度進行了分析。由于裝載機鏟斗的重要性，國內外都投入了大量的人力、物力、財力對其工作部件的可靠性及壽命進行了研究。本文主要以常用的礦用裝載機為研究對象，首先建立礦用裝載機的三維模型，并運用ＡＢＡＱＵＳ有限元分析軟件對其在實際工況下的應力和位移進行了仿真分析，得到了礦用裝載機鏟斗在整個工作過程中的受力分布情況，總結出其易磨損及疲勞損壞的區(qū)域，為鏟斗結構的優(yōu)化設計提供了一定的理論依據(jù)。 １裝載機模型的建立及受力分析 １．１模型建立 在三維建模軟件中

4、建立裝載機模型如圖１所示。圖中１為鏟斗，是整個裝載機的執(zhí)行機構，也是整個工作中的受力構件；２為動臂，可實現(xiàn)鏟斗的提升和降低功能，是傳遞機構；３為動臂液壓缸，主要給動臂提供動力源；４為搖臂液壓缸；５為搖臂，該機構可在液壓缸的帶動下完成鏟斗的轉向，完成土壤等的裝載和傾倒工作，６為連桿，主要連接鏟斗和搖臂。 １．２鏟斗受力分析 如圖２所示，為鏟斗的實際受力情況。在鏟斗的工作過程中，主要受到物體的切削阻尼Ｆ１，物體和鏟斗間的摩擦力Ｆ２和物體及鏟斗自身的重力Ｆ３作用。一般情況下，裝載機的受力過程主要分為初期水平插入階段、后期水平插入階段、初期提升階段和后期提升階段。由于裝

5、載機鏟斗工況極為復雜，本文主要計算了裝載機鏟斗在極端工況下的受力情況，考慮最大受力情況下鏟斗的變形情況，本文對鏟斗的工作過程選取插入階段、鏟取階段和提升階段進行分析，這里鏟斗所受的最大水平載荷由裝載機的最大牽引力決定，最大負載則由鏟斗和物體的自重決定。 ２鏟斗有限元強度分析 ２．１有限元分析步驟 首先，在ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件中完成整機的建模和裝配工作，考慮極端工況并計算出鏟斗的最大受力；將鏟斗的三維模型保存為“．ｘ＿ｔ”格式的中性文件，導入到ＡＢＡＱＵＳ軟件中為進行鏟斗的強度分析做準備。有限元分析主要分為前處理、分析計算、后處理３個主要步驟。

6、本文中的前處理包括定義分析材料屬性、定義分析步、施加載荷條件及約束、進行網(wǎng)格劃分等。 ２．２鏟斗材料屬性 考慮到鏟斗在工作過程中的劇烈磨損和沖擊力，斗齒和底刃部分選擇具有高耐磨性和高屈服強度的２０ＣｒＭｎＭｏ材料，其余部分均選擇１６Ｍｎ材料，各材料的力學性能見表１所示。 ２．３邊界條件及載荷施加 考慮到鏟斗的最大受力，在此需要限定鏟斗耳板處４個銷孔ｘ、ｙ、ｚ３個方向的移動和轉動自由度［７］。本文選取某煤礦用裝載機常用工況，即取鏟斗底刃上的水平載荷為１５０ｋＮ，取提升時的鏟斗最大垂直載荷１５８ｋＮ，由于側刃、側板所受的切削力和垂直重

7、力相對較低，暫不考慮其受力情況。２．４有限元網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是有限元分析中特別重要的環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分得好壞直接影響計算結果的準確與否。綜合考慮運算時間和計算精度，以網(wǎng)格的最大尺寸為１２５ｍｍ，最小為３ｍｍ進行四面體網(wǎng)格的自動劃分。并對應力梯度變化較大的部分進行網(wǎng)格再劃分，得到的鏟斗有限元模型共有３１１２４０個節(jié)點，１７８５２６個單元，其有限元模型如圖３所示。 ３分析結果 圖４～５分別為鏟斗在插入過程中的應力云圖和位移云圖；圖６～７分別表示鏟斗在鏟取物體階段的應力云圖和位移云圖；圖８～９分別為鏟斗將物體提升階段的應力云圖和位移云圖。表２為有限元分析得到的各個階段鏟斗

8、的最大等效應力和最大等效位移值。從圖４、圖６、圖８可以看出，鏟斗在插入、鏟取和提升作業(yè)階段，其最大應力分布均主要集中在耳板下部與鏟斗結合部位；在插入階段，鏟斗的斗齒相對于其他兩個階段有較大的應力分布，但相對耳板處而言該應力較小。通過后處理結果可知插入階段的最大等效應力為１０３．８ＭＰａ，鏟取階段的最大等效應力為２３０．１ＭＰａ，提升階段的最大等效應力為１９５．４ＭＰａ，由最大應力數(shù)值可知，在鏟取作業(yè)階段具有最大的等效應力，插入作業(yè)階段具有最小的等效應力，而提升階段的最大等效應力介于插入和鏟取之間。仿真結果的最大等效應力分布和實際情況中鏟斗易損傷部位接近，表明仿真計算結果具有一定的準確性。從圖５

9、、圖７、圖９可以看出，３個工作階段的最大位移均出現(xiàn)在斗齒的中央和底板的前半部分區(qū)域，鏟斗插入階段的最大位移量為７．０６ｍｍ，鏟取階段的最大位移量為１７．３９ｍｍ，提升階段的最大位移量為１２．０２ｍｍ，三者的最大位移量均在許可的范圍內，且鏟取階段具有最大位移量，插入階段具有最小位移量，提升階段位移量介于兩者之間。通過以上分析，可通過在底板部位增加一定數(shù)量的加強筋以提高底板的強度。強度校核根據(jù)強度校核的計算公式［８］：［σ］＝σｌｉｍ／［Ｓ］＞σｍａｘ。（１）其中，σｌｉｍ取鏟取階段的最大等效應力，計算可得［σ］＝２４３．１ＭＰａ＞σｍａｘ＝２３０．１ＭＰａ。從該強度校核結果可知鏟斗設計的強度滿足

10、使用要求。從位移量來說，鏟斗的最大位移量為１７．３９ｍｍ，總體變形量不大?？偟膩碚f，鏟斗耳板部位、鉸接處和斗齒部位應力較大，其余部位應力較小且都低于許用應力。 ４結語 建立了整個裝載機三維模型，對鏟斗進行了相應的簡化，分析了鏟斗的受力情況，在ＡＢＡＱＵＳ軟件中，針對鏟斗的插入、鏟取和提升階段，完成了３種不同工況的邊界條件和載荷施加，得到了其有限元最大應力云圖和最大位移云圖。通過有限元分析，得到最大應力部位與實際情況下易損部位接近，為了提高鏟斗使用壽命，可在底板背面增加一定數(shù)量的加強筋以提高底板的強度，可增加耳板厚度以提高其強度，從而提高礦用裝載機設計、分析、優(yōu)化

11、及疲勞壽命。 參考文獻： ［１］李愛峰，高素荷．ＷＫ－３５礦用挖掘機鏟斗結構特性分析研究［Ｊ］．煤礦機械，２０１２，３３（１）：１０７－１０９． ［２］李燕，李建偉，楊玉嬌．基于ＡＢＡＱＵＳ的液壓反鏟挖掘機斗桿的有限元分析［Ｊ］．煤礦機械，２０１０，３１（２）：７１－７４． ［３］石沛林，徐冠林，張立榮．ＺＬ５０型裝載機鏟斗的應力分析與結構優(yōu)化設計［Ｊ］．工程機械，２００８，３９：２９－２４． ［４］張倩，單忠德，鄒愛玲，等．基于ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的裝載機鏟斗有限元分析［Ｊ］．起重運輸機械，２０１３，１２：７１－７５． ［５］曾慶強，秦四成，趙騰云，等．裝載機鏟斗鏟掘過程受力分析［Ｊ］．工程機械，２０１１，４２：１８－２３． ［６］李志虎．基于ＣＡＥ挖掘機鏟斗的力學及運動學分析［Ｊ］．橋隧施工與機械，２０１５，９：８９－８４． ［７］石亦平，周玉蓉．ＡＢＡＱＵＳ有限元分析實例詳解［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，２００８． ［８］周開勤．機械零件設計手冊［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００１．