挖掘裝載機(jī)伸縮斗桿的有限元分析*

趙學(xué)龍，潘國(guó)斌，劉 寅，劉巧珍，藍(lán) 強(qiáng)

(江蘇柳工機(jī)械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212005)

1 前言

挖掘裝載機(jī)俗稱“兩頭忙”［1］，是一種多功能工程機(jī)械，挖掘裝載機(jī)可配吊、叉、壓、錘、系列挖掘斗、破碎錘、振動(dòng)夯、四合一斗等幾十種不同作業(yè)裝置，以此完成更多的作業(yè)內(nèi)容。在市政工程維護(hù)、道路養(yǎng)護(hù)方面比裝載機(jī)、挖掘機(jī)有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

挖掘裝載機(jī)的多功能是通過(guò)功能模塊化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。生產(chǎn)廠家在原有的整機(jī)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出可替換的新模塊，用新模塊替換標(biāo)準(zhǔn)模塊后，實(shí)現(xiàn)用戶在整機(jī)的某些功能方面的個(gè)性化需求。伸縮斗桿工作裝置就是這樣的可選配模塊，配置伸縮斗桿后用戶可在原有的主機(jī)平臺(tái)上獲得更大的挖掘半徑和挖掘深度，只需花少量費(fèi)用就可享受更大一號(hào)機(jī)器所具有的功能。

筆者在伸縮斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用ANSYS WORKBENCH軟件進(jìn)行了有限元分析［2］，在設(shè)計(jì)階段就暴露了初始設(shè)計(jì)的一些缺陷，減少了后續(xù)改進(jìn)方面的人力物力損失。

2 三維建模及模型處理

在Proe中建立如圖1所示的伸縮斗桿的三維設(shè)計(jì)模型。該可伸縮斗桿裝置由上斗桿、下斗桿、伸縮油缸等三個(gè)主要部件及其他必要的輔助部件組成，通過(guò)伸縮油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)上、下斗桿的伸縮。該設(shè)計(jì)模型有許多有限元分析模型所不需要的特征，在將設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入到有限元分析環(huán)境中之前需將設(shè)計(jì)模型予以預(yù)處理，以減少分析環(huán)節(jié)不必要的勞動(dòng)。

螺紋孔的處理是根據(jù)螺紋孔所處的位置及重要度，將螺紋孔簡(jiǎn)化為普通孔或刪除。WORKBENCH軟件不能識(shí)別Pro/E中的螺紋特征，如果不加處理直接將模型導(dǎo)入到WORKBENCH中，軟件會(huì)提示出錯(cuò)，初學(xué)者易犯這個(gè)錯(cuò)誤。

圖1 伸縮斗桿三維設(shè)計(jì)模型

倒角的處理:一般情況下，倒角特征予以刪除;倒圓角的處理:在無(wú)關(guān)緊要處，刪除倒圓角;在關(guān)鍵位置可將圓角保留;附屬小部件的處理，一般情況下，三維設(shè)計(jì)模型中存在的一些分析模型用不到的附屬小部件刪除即可;焊縫的處理:設(shè)計(jì)模型中一般無(wú)焊縫，分析前需將焊縫補(bǔ)上，以消除不存在的應(yīng)力集中。

3 網(wǎng)格劃分

對(duì)于小型的簡(jiǎn)單部件，組件實(shí)體模型就可繼續(xù)下一步的分析，軟件會(huì)自動(dòng)給不同的零件設(shè)置連接關(guān)系。而本文所述的伸縮斗桿為比較復(fù)雜的大組件，如果直接進(jìn)行后續(xù)分析，則容易產(chǎn)生較大誤差，需將其合并為單個(gè)的實(shí)體。

將合并成單個(gè)實(shí)體的伸縮斗桿進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，單元格大小為10 mm，本次所要?jiǎng)澐值膯卧倲?shù)為158421個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為310722個(gè)，單元類型由WORKBENCH軟件自動(dòng)確定，以四面體單元為主。

4 約束及載荷施加

為便于約束及載荷施加的描述方便，給斗桿各個(gè)鉸點(diǎn)予以命名，如圖2所示。

圖2 斗桿各鉸點(diǎn)名稱

對(duì)于伸縮斗桿，將其假想為1個(gè)簡(jiǎn)支梁，F(xiàn)點(diǎn)和Q點(diǎn)為約束點(diǎn)，除F點(diǎn)外其他鉸點(diǎn)處施加載荷，如表1所列。表1中“√”表示被約束，空格表示約束被放松。F1點(diǎn)和F2點(diǎn)從二維角度是同一點(diǎn)，從三維角度還有橫向尺寸，因而F1點(diǎn)是三向約束，而F2點(diǎn)的Z向要放松，否則過(guò)約束。

對(duì)于如何求得挖掘力，上海第二工業(yè)大學(xué)的祖英利在其論文《挖掘裝載機(jī)整機(jī)挖掘力剛體動(dòng)力學(xué)分析》中對(duì)整機(jī)的理論挖掘力進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)［3］。

表1 支點(diǎn)約束表

對(duì)于如何求挖掘裝置的危險(xiǎn)工況，柳工做了大量研究，并制定了相關(guān)規(guī)范，限于篇幅在此不贅述該確定過(guò)程，直接得出結(jié)果。斗桿縮回狀態(tài)的危險(xiǎn)姿態(tài)為“鏟斗挖掘工況(8.8，28.6，16.8)”。斗桿伸出狀態(tài)的危險(xiǎn)姿態(tài)為“鏟斗挖掘工況(－31.9，104.7，63)”。此處括號(hào)內(nèi)的 3 個(gè)數(shù)字代表動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的轉(zhuǎn)角，每組坐標(biāo)可唯一確定挖掘裝置的一個(gè)工作姿態(tài)。伸縮斗桿可伸縮，因而要分別考慮斗桿縮回狀態(tài)和伸出兩種情況。

由于各鉸點(diǎn)力數(shù)值表占用較大篇幅，此處只提供斗桿縮回狀態(tài)下的各點(diǎn)鉸點(diǎn)力，如表2所列，表中挖掘裝置姿態(tài) UCL=8.8，UF=28.6，UQL=16.8。

表2 斗桿縮回狀態(tài)鏟斗挖掘工況下斗桿的鉸點(diǎn)力 /kg

5 分析結(jié)果及解讀

表2中的正載工況表示載荷正中作用在鏟斗的斗齒上，而偏載工況表示載荷作用在鏟斗的側(cè)刃上，分析結(jié)果表明偏載工況比相應(yīng)正載工況危險(xiǎn)。限于篇幅，在此只敘述偏載工況的結(jié)果。將各鉸點(diǎn)力及約束施加到分析模型上，得到各工況的靜強(qiáng)度分析云圖，可根據(jù)此結(jié)果判斷設(shè)計(jì)是否合適。

上下斗桿的材料為Q345，它的彈性極限為345 MPa，本公司設(shè)計(jì)慣例為計(jì)算強(qiáng)度小于206 MPa，符合要求。

斗桿在縮回狀態(tài)和給定的危險(xiǎn)工況下，其上下斗桿上的應(yīng)力強(qiáng)度都不是很大，從靜強(qiáng)度分析角度來(lái)看，該伸縮斗桿設(shè)計(jì)可行，如圖3所示。

斗桿在伸出狀態(tài)和給定的危險(xiǎn)工況下，其上下斗桿上有幾處應(yīng)力強(qiáng)度很大，上斗桿上鏟斗油缸安裝耳板處的焊縫處應(yīng)力已達(dá)到414.64 MPa;下斗桿上靠近上斗桿末端的位置處應(yīng)力已達(dá)到305 MPa。后續(xù)必須進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，如圖4所示。

圖3 斗桿縮回狀態(tài)偏載工況應(yīng)力

圖4 斗桿伸出狀態(tài)偏載 工況應(yīng)力

6 設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)伸縮斗桿的幾何形狀進(jìn)行多次更改并多次計(jì)算，得到了比較滿意的改進(jìn)后結(jié)果，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后斗桿伸出狀態(tài)偏載工況應(yīng)力

改進(jìn)后的鏟斗油缸支座耳板處的最大應(yīng)力從414.64 MPa下降到232.93 MPa。下斗桿側(cè)板上部的最大應(yīng)力從305.25 MPa下降到217.24 MPa?；緷M足預(yù)定要求。

7 結(jié)論

按以往的類比設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)缺陷在經(jīng)過(guò)畫圖、做樣件、裝機(jī)、工作這一循環(huán)后被暴露。有限元分析技術(shù)介入到設(shè)計(jì)工作中后，縮短了設(shè)計(jì)改進(jìn)的進(jìn)程。采用有限元分析技術(shù)，分析工作是在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，節(jié)省了大量實(shí)物制造方面的費(fèi)用。ANSYS WORKBENCH是面向設(shè)計(jì)師的分析工具，設(shè)計(jì)師不需要太多的專業(yè)分析知識(shí)及技能，普通設(shè)計(jì)師略加培訓(xùn)后就可利用該分析工具進(jìn)行工作。

［1］王云華.挖掘裝載機(jī)挖掘裝置液壓系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)分析［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2012.

［2］王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］祖英利，黃 瑞，于洪洋.挖掘裝載機(jī)整機(jī)挖掘力剛體動(dòng)力學(xué)分析［J］.上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28(4):307 －312.