裝載機(jī)動(dòng)臂的應(yīng)力分析

劉穎莉，文學(xué)洙

（延邊大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)科，吉林 延吉 133002）

0 引言

輪式裝載機(jī)是一種作業(yè)效率高且廣泛運(yùn)用的工程機(jī)械，它能對(duì)散裝物料進(jìn)行鏟裝、搬運(yùn)、卸載、平整等作業(yè)，也能對(duì)硬土、巖石進(jìn)行輕度鏟掘工作［1］。動(dòng)臂是裝載機(jī)工作裝置的主要的結(jié)構(gòu)部件，是鏟斗和搖臂重要的結(jié)構(gòu)支撐件［2］。它的強(qiáng)度狀況對(duì)裝載機(jī)工作裝置的性能及壽命有著非常重要的影響。為了更好地了解裝載機(jī)動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況，本文對(duì)有筋板的動(dòng)臂和無筋板的動(dòng)臂進(jìn)行了應(yīng)力分析。

1 工況的選擇

1）因?yàn)槲锪戏N類和作業(yè)條件等不同，裝載機(jī)在實(shí)際工作時(shí)，鏟斗不可能受均布載荷，但為了計(jì)算方便簡化成以下兩種極端情況：（1）沿切削刃均勻分布的載荷，以作用在鏟斗切削刃中部的集中載荷來代替其均布載荷，稱其為對(duì)稱受載；（2）在切削刃上受到的非均布載荷，以作用在鏟斗側(cè)邊的第一斗齒上的集中載荷來代替，稱其為偏載［3］。

2）裝載機(jī)的鏟掘過程通?？煞秩缦氯N受力情況：

（1）鏟斗水平插入料堆，且工作裝置的各個(gè)油缸閉鎖，此時(shí)只受水平作用力。

（2）鏟斗水平插入料堆以后，翻轉(zhuǎn)鏟斗或提升動(dòng)臂進(jìn)行鏟掘時(shí)，只受垂直作用力。

（3）鏟斗邊插入邊翻轉(zhuǎn)鏟斗或邊插入邊提升動(dòng)臂鏟掘時(shí)，同時(shí)受水平作用力與垂直作用力。

綜上所述，動(dòng)臂有6 種典型工況，分別是水平對(duì)稱工況、水平偏載工況、垂直對(duì)稱工況、垂直偏載工況、水平垂直對(duì)稱同時(shí)作用工況（簡稱正載工況）、水平垂直偏載同時(shí)作用工況（簡稱偏載工況）。其中偏載工況下受力最大，因此本文以偏載工況為例，對(duì)裝載機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行應(yīng)力分析。

2 動(dòng)臂三維模型的創(chuàng)建

雖然ANSYS 有其自建模功能，但建模功能有限。而Pro/E 是一款很簡便的三維繪圖軟件，其功能簡單，思路清晰，因此本文利用Pro/E，根據(jù)裝載機(jī)實(shí)際尺寸創(chuàng)建了動(dòng)臂三維模型，其模型如圖1 所示。

圖1 裝載機(jī)動(dòng)臂模型

將模型導(dǎo)入到ANSYS 中，因?yàn)閯?dòng)臂模型結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，因此采用中間數(shù)據(jù)格式，即將Pro/E 中的模型保存為IGES 格式，再將模型導(dǎo)入到ANSYS 中。

3 裝載機(jī)動(dòng)臂有限元分析前處理

1）單元類型。動(dòng)臂是由動(dòng)臂板、橫梁、耳板、筋板等焊接而成的，本文采用SOLID95 實(shí)體單元作為分析的單元類型。動(dòng)臂的材料為16Mn，密度為7.8×103kg/m3，彈性模量為2.07E11Pa，泊松比為0.3，屈服極限是343 MPa。

2）劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的劃分方法主要有自由網(wǎng)格劃分，映射網(wǎng)格劃分，拖拉、掃掠網(wǎng)格劃分及混合網(wǎng)格劃分。本文選擇自由網(wǎng)格劃分。

3）施加位移約束及載荷。

（1）定義動(dòng)臂分析類型。在此工況下，假設(shè)動(dòng)臂為靜力分析模型。

（2）約束條件的確定。動(dòng)臂與機(jī)架、動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸等的連接均為鉸連接，是可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的，但此種情況下，需要進(jìn)行多次柱坐標(biāo)系的創(chuàng)建及轉(zhuǎn)換，容易出錯(cuò)。為了簡化計(jì)算，對(duì)動(dòng)臂與機(jī)架、動(dòng)臂油缸連接處所有的自由度均進(jìn)行約束［4］。具體操作方法是選取鉸接處的內(nèi)孔面，進(jìn)行全約束。

（3）載荷條件的確定。物料對(duì)動(dòng)臂的作用力是通過鏟斗處的銷軸傳遞的，銷軸與孔之間的接觸應(yīng)力分布比較復(fù)雜，與物料種類、接觸方式及配合公差等諸多因素有關(guān)，為了簡化計(jì)算，假設(shè)動(dòng)臂孔處所受的力為集中力［3］。即將所受外載荷以集中力直接定義到內(nèi)孔表面上。具體操作方法是在內(nèi)孔中心處創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并將其與對(duì)應(yīng)內(nèi)孔表面上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)用link8 單元連接，形成輪輻式連接，然后直接在內(nèi)孔中心節(jié)點(diǎn)處施加集中載荷。同時(shí)由于裝載機(jī)動(dòng)臂自重較大，不能忽略。

4 裝載機(jī)動(dòng)臂有限元分析后處理

進(jìn)行仿真分析，得到裝載機(jī)動(dòng)臂應(yīng)力分布圖如圖2所示。

由圖2（a）、圖2（b）可知，裝載機(jī)在此工況下，動(dòng)臂板上的應(yīng)力分布情況基本一致，最大應(yīng)力均位于動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸接處，無筋板動(dòng)臂的最大應(yīng)力為308 MPa，有筋板動(dòng)臂的最大應(yīng)力為317 MPa，均小于屈服極限，符合設(shè)計(jì)要求。由圖2（c）、圖2（d）可知，在耳板鉸接處，有筋板動(dòng)臂的應(yīng)力分布區(qū)域比無筋板動(dòng)臂的應(yīng)力分布區(qū)域小。由圖2（e）、圖2（f）可知，在偏載一側(cè)和耳板之間的橫梁部分，應(yīng)力分布區(qū)域是有筋板的比無筋板的小。其余部分基本一致。

5 結(jié)語

1）在偏載工況下，筋板對(duì)裝載機(jī)動(dòng)臂的動(dòng)臂板的應(yīng)力分布影響不大，最大應(yīng)力集中點(diǎn)在動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸接處；

圖2 動(dòng)臂應(yīng)力分布圖

2）在偏載工況下，筋板對(duì)裝載機(jī)動(dòng)臂的耳板及橫梁的應(yīng)力分布有一定的影響，減小了應(yīng)力分布區(qū)域；

3）在偏載工況下，筋板的加入使動(dòng)臂的最大應(yīng)力有所增加，但是增加幅度較小，而且它改善了動(dòng)臂耳板及橫梁的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

［1］周華祥，黃磊.裝載機(jī)工作裝置參數(shù)化3D 建模及有限元分析［D］.太原：太原科技大學(xué)，2009.

［2］周華祥，黃磊.裝載機(jī)動(dòng)臂的有限元分析及改進(jìn)［J］.黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，5（26）：12-13.

［3］王曉寧.裝載機(jī)工作裝置動(dòng)臂框架工作狀態(tài)的力學(xué)分析［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

［4］楊占敏，王智明，張春秋，等.輪式裝載機(jī)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.