基于ANSYS 的抓拋一體機(jī)扶爪的有限元分析

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(華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045)

進(jìn)行柳稍、塊石、鉛絲石籠等黃河搶險(xiǎn)常用材料的抓、拋時(shí)，通常是采用拋石排，需要4～6 人協(xié)作完成，因地勢惡劣，其搬運(yùn)、安裝、移動(dòng)都非常困難，大大影響了搶險(xiǎn)效果，同時(shí)其操作也有一定人員傷亡的危險(xiǎn)性.液壓式挖掘機(jī)是工程搶險(xiǎn)中常用設(shè)備之一，如果能在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造創(chuàng)新，既能夠節(jié)約開支，又能不增加人員編制.正是基于這樣的目的開發(fā)研制抓拋一體機(jī)的.

液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程是以鏟斗(一般裝有斗齒)的切削刃切削土壤并將土裝入斗內(nèi)，斗滿后提升，回轉(zhuǎn)至卸料位置進(jìn)行卸土，卸空后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到地面進(jìn)行下一次挖掘.當(dāng)挖掘機(jī)挖完一斗土后，機(jī)械移動(dòng)一段距離，以便繼續(xù)作業(yè).這個(gè)過程與進(jìn)行柳稍、塊石、鉛絲石籠等黃河搶險(xiǎn)常用材料的抓、拋有很大的共同之處.因此在液壓挖掘機(jī)的鏟斗部位添加一個(gè)鄂式扶爪，與挖掘機(jī)的鏟斗以連桿機(jī)構(gòu)形式連接，如圖1 所示.在鏟斗油缸的作用下，將鉛絲石籠牢牢抓住，然后運(yùn)送到合適位置，準(zhǔn)確地拋投到位，以達(dá)到抗洪搶險(xiǎn)的目的.抓拋一體機(jī)在工作的過程中，扶爪直接承受較大的外力，是抓拋一體機(jī)完成任務(wù)的關(guān)鍵，因此，扶爪結(jié)構(gòu)性能的好壞對抓拋一體機(jī)工作的影響是十分重要的.文中對抓拋一體機(jī)的扶爪部分進(jìn)行了有限元靜、強(qiáng)度分析，分析結(jié)果為抓拋一體機(jī)扶爪的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù).

圖1 抓斗結(jié)構(gòu)

1 扶爪參數(shù)

已知鏟斗的長1 550 mm，寬1 380 mm，要求扶爪與鏟斗配合作業(yè)時(shí)，使用方便、操作簡單快速、收縮自如等.結(jié)合鏟斗的結(jié)構(gòu)尺寸和工作特點(diǎn)，將扶爪單獨(dú)設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的部件，與鏟斗通過連桿與鉸連接，實(shí)現(xiàn)抓、拋動(dòng)作.

初設(shè)扶爪參數(shù)如下:主骨架長1 420 mm，壁厚20 mm;抓齒長916 mm，弧度160°，抓齒間距338 mm;加固架長度1 420 mm，壁厚9 mm;主骨架與加固架間距為560 mm;最大開度2 200 mm.由于原有工作鏟斗性能良好，需要驗(yàn)證扶爪的強(qiáng)度.

2 有限元模型的建立

2.1 幾何模型的簡化

在AUTOCAD 軟件中建立抓拋一體機(jī)扶爪的三維實(shí)體幾何模型，扶爪的整體寬度與鏟斗的寬度相同，實(shí)際工作長度與鏟斗實(shí)際長度相同.有限元實(shí)體模型反映此裝置在實(shí)際工作狀態(tài)下危險(xiǎn)工況的情況.扶爪的有限元模型不但要盡量完整，還要方便網(wǎng)格的劃分，應(yīng)盡量減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量，簡化結(jié)構(gòu)模型.簡化后模型如圖2 所示.

圖2 扶爪簡化模型

2.2 扶爪單元體及材料的選擇

該扶爪主要由套管和耳板組成，須用三維實(shí)體單元類型來為其定義.本次分析采用了10 節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元Solid 92 號單元，該實(shí)體單元具有大應(yīng)變、大變形、應(yīng)力強(qiáng)化等優(yōu)點(diǎn)，并且適合從CAD 軟件導(dǎo)入其實(shí)體模型.選用扶爪的材料為16Mn.材料的具體性能參數(shù)見表1［1］.

表1 材料性能參數(shù)

2.3 載荷計(jì)算及網(wǎng)格劃分

載荷以扶爪最大工況時(shí)加載，扶爪主要的受力為自身的重力、石籠對其的壓力以及抓緊力.

石籠的重力經(jīng)保守估算為29 400 N，最大抓緊力為274 565 N，選取最危險(xiǎn)的位置即抓緊力最大且石籠重力完全施加在扶爪的表面，對扶爪的齒面和吊耳進(jìn)行加載，力的大小為303 965 N，這個(gè)力以面力的形式分別加在鏟斗和扶爪相對的表面和吊耳的內(nèi)表面;扶爪的重力以重力加速度的方式加載，即g=9.8 kg·m/s2.

工作時(shí)，以連桿聯(lián)接固定處為固定約束，在圓孔處對鏟斗和扶爪進(jìn)行全約束.

進(jìn)入ANSYS 工作環(huán)境，導(dǎo)入抓拋一體機(jī)扶爪的有限元網(wǎng)格模型，采用自動(dòng)劃分方式對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)扶爪共有14 182 個(gè)單元，有限元模型如圖3 所示.

圖3 扶爪有限元模型

2.4 約束條件確定和加載求解

根據(jù)扶爪的實(shí)際工作狀況對其耳板上的2 個(gè)銷孔進(jìn)行固定，對其內(nèi)表面施加面力并求解［2］.輸出扶爪強(qiáng)度分析的應(yīng)力云圖如圖4 所示，位移云圖如圖5 所示.

由圖4 和圖5 可以看出:最大等效應(yīng)力為196 MPa，最大位移為506 mm.

3 扶爪強(qiáng)度校核及分析

扶爪經(jīng)有限元強(qiáng)度分析的最大等效應(yīng)力為196 MPa［3］，發(fā)生在扶爪與主骨架的焊接處，扶爪整體上等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限值660 MPa.其他部位應(yīng)力在44.0 MPa 以下，說明扶爪選材強(qiáng)度足夠，安全系數(shù)比較高，完全能夠滿足抗洪搶險(xiǎn)的需要.扶爪整體變形不大，最大變形值為5.06 mm，發(fā)生在扶爪抓齒的最前端，扶爪固定臂的變形比其他各處的變形都小.

4 結(jié)語

對抓拋一體機(jī)的扶爪部分進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，強(qiáng)度分析結(jié)果顯示，扶爪的最大等效應(yīng)力為196 MPa，遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度，而且扶爪變形很小，僅為5.06 mm，應(yīng)力及變形均滿足設(shè)計(jì)要求.

［1］王三民.機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］周寧.ANSYS 機(jī)械工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［3］鄧子龍，高財(cái)?shù)?挖掘機(jī)鏟斗強(qiáng)度分析［J］.遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(4):45－47.