礦用裝載機(jī)鏟斗強(qiáng)度分析

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1、礦用裝載機(jī)鏟斗強(qiáng)度分析 礦用裝載機(jī)鏟斗強(qiáng)度分析 2016/09/23 《長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)》2016年第2期 摘要： 建立了礦用裝載機(jī)三維模型，并分析鏟斗的受力情況，針對(duì)鏟斗插入、鏟取和提升３個(gè)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(jī)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(yīng)力云圖和等效位移云圖。結(jié)果表明，鏟斗的最大等效應(yīng)力和最大等效位移均在鏟取階段，插入階段的應(yīng)力和位移最小，提升階段

2、的應(yīng)力和位移介于兩者之間。 關(guān)鍵詞： 礦用裝載機(jī)；鏟斗；強(qiáng)度分析 ０引言 裝載機(jī)是機(jī)械應(yīng)用中十分常見(jiàn)的大型機(jī)械，具有生產(chǎn)效率高、可靠性高、工作環(huán)境廣、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛的應(yīng)用于煤炭、礦山開(kāi)采、道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、水利水電施工、國(guó)防建設(shè)和公用性基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等場(chǎng)合［１－３］。裝載機(jī)的主要工作部件由鏟斗、搖臂、連桿、動(dòng)臂及配套的液壓缸裝置構(gòu)成［４］。在工作過(guò)程中，鏟斗是完成整個(gè)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(nèi)完成整個(gè)動(dòng)作指令。鏟斗在整個(gè)工作過(guò)程中易受到較大的沖擊外力，在和堅(jiān)硬物體的接觸

3、滑移過(guò)程中容易造成劇烈的磨損［５－６］。所以，鏟斗直接影響著整個(gè)裝載機(jī)的性能與壽命，本文針對(duì)裝載機(jī)鏟斗的強(qiáng)度進(jìn)行了分析。由于裝載機(jī)鏟斗的重要性，國(guó)內(nèi)外都投入了大量的人力、物力、財(cái)力對(duì)其工作部件的可靠性及壽命進(jìn)行了研究。本文主要以常用的礦用裝載機(jī)為研究對(duì)象，首先建立礦用裝載機(jī)的三維模型，并運(yùn)用ＡＢＡＱＵＳ有限元分析軟件對(duì)其在實(shí)際工況下的應(yīng)力和位移進(jìn)行了仿真分析，得到了礦用裝載機(jī)鏟斗在整個(gè)工作過(guò)程中的受力分布情況，總結(jié)出其易磨損及疲勞損壞的區(qū)域，為鏟斗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。 １裝載機(jī)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(jī)模型如圖１所示。圖中１為鏟斗，是整個(gè)裝載機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是整個(gè)工作中的受力構(gòu)件；２為動(dòng)臂，可實(shí)現(xiàn)鏟斗的提升和降低功能，是傳遞機(jī)構(gòu)；３為動(dòng)臂液壓缸，主要給動(dòng)臂提供動(dòng)力源；４為搖臂液壓缸；５為搖臂，該機(jī)構(gòu)可在液壓缸的帶動(dòng)下完成鏟斗的轉(zhuǎn)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(shí)際受力情況。在鏟斗的工作過(guò)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(jī)的受力過(guò)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(jī)鏟斗工況極為復(fù)雜，本文主要計(jì)算了裝載機(jī)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(duì)鏟斗的工作過(guò)程選取插入階段、鏟取階段和提升階段進(jìn)行分析，這里鏟斗所受的最大水平載荷由裝載機(jī)的最大牽引力決定，最大負(fù)載則由鏟斗和物體的自重決定。 ２鏟斗有限元強(qiáng)度分析 ２．１有限元分析步驟 首先，在ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件中完成整機(jī)的建模和裝配工作，考慮極端工況并計(jì)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(dǎo)入到ＡＢＡＱＵＳ軟件中為進(jìn)行鏟斗的強(qiáng)度分析做準(zhǔn)備。有限元分析主要分為前處理、分析計(jì)算、后處理３個(gè)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(jìn)行網(wǎng)格劃分等。 ２．２鏟斗材料屬性 考慮到鏟斗在工作過(guò)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(qiáng)度的２０ＣｒＭｎＭｏ材料，其余部分均選擇１６Ｍｎ材料，各材料的力學(xué)性能見(jiàn)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(gè)銷孔ｘ、ｙ、ｚ３個(gè)方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度［７］。本文選取某煤礦用裝載機(jī)常用工況，即取鏟斗底刃上的水平載荷為１５０ｋＮ，取提升時(shí)的鏟斗最大垂直載荷１５８ｋＮ，由于側(cè)刃、側(cè)板所受的切削力和垂直重

7、力相對(duì)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(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確與否。綜合考慮運(yùn)算時(shí)間和計(jì)算精度，以網(wǎng)格的最大尺寸為１２５ｍｍ，最小為３ｍｍ進(jìn)行四面體網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。并對(duì)應(yīng)力梯度變化較大的部分進(jìn)行網(wǎng)格再劃分，得到的鏟斗有限元模型共有３１１２４０個(gè)節(jié)點(diǎn)，１７８５２６個(gè)單元，其有限元模型如圖３所示。 ３分析結(jié)果 圖４～５分別為鏟斗在插入過(guò)程中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力云圖和位移云圖。表２為有限元分析得到的各個(gè)階段鏟斗

8、的最大等效應(yīng)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(yīng)力分布均主要集中在耳板下部與鏟斗結(jié)合部位；在插入階段，鏟斗的斗齒相對(duì)于其他兩個(gè)階段有較大的應(yīng)力分布，但相對(duì)耳板處而言該應(yīng)力較小。通過(guò)后處理結(jié)果可知插入階段的最大等效應(yīng)力為１０３．８ＭＰａ，鏟取階段的最大等效應(yīng)力為２３０．１ＭＰａ，提升階段的最大等效應(yīng)力為１９５．４ＭＰａ，由最大應(yīng)力數(shù)值可知，在鏟取作業(yè)階段具有最大的等效應(yīng)力，插入作業(yè)階段具有最小的等效應(yīng)力，而提升階段的最大等效應(yīng)力介于插入和鏟取之間。仿真結(jié)果的最大等效應(yīng)力分布和實(shí)際情況中鏟斗易損傷部位接近，表明仿真計(jì)算結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。從圖５

9、、圖７、圖９可以看出，３個(gè)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(nèi)，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(guò)以上分析，可通過(guò)在底板部位增加一定數(shù)量的加強(qiáng)筋以提高底板的強(qiáng)度。強(qiáng)度校核根據(jù)強(qiáng)度校核的計(jì)算公式［８］：［σ］＝σｌｉｍ／［Ｓ］＞σｍａｘ。（１）其中，σｌｉｍ取鏟取階段的最大等效應(yīng)力，計(jì)算可得［σ］＝２４３．１ＭＰａ＞σｍａｘ＝２３０．１ＭＰａ。從該強(qiáng)度校核結(jié)果可知鏟斗設(shè)計(jì)的強(qiáng)度滿足

10、使用要求。從位移量來(lái)說(shuō)，鏟斗的最大位移量為１７．３９ｍｍ，總體變形量不大。總的來(lái)說(shuō)，鏟斗耳板部位、鉸接處和斗齒部位應(yīng)力較大，其余部位應(yīng)力較小且都低于許用應(yīng)力。 ４結(jié)語(yǔ) 建立了整個(gè)裝載機(jī)三維模型，對(duì)鏟斗進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，分析了鏟斗的受力情況，在ＡＢＡＱＵＳ軟件中，針對(duì)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(yīng)力云圖和最大位移云圖。通過(guò)有限元分析，得到最大應(yīng)力部位與實(shí)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(qiáng)筋以提高底板的強(qiáng)度，可增加耳板厚度以提高其強(qiáng)度，從而提高礦用裝載機(jī)設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化

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