挖掘機(jī)工作裝置的有限元分析

王巖　余偉霞　李海山

摘要：挖掘機(jī)分為上車部分，下車部分，和工作裝置部分，下車主要是行走機(jī)構(gòu)，上車主要是控制。文章主要說的是挖掘機(jī)工作裝置的有限元分析，應(yīng)用有限元方法對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的強(qiáng)度進(jìn)行分析，為工作裝置的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)修改提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；工作裝置；有限元分析

一、有限元分析

（一）應(yīng)用軟件

有限元分析過程中，利用MSC.PATRAN進(jìn)行有限元分析的前后處理工作，包括動(dòng)臂和斗桿的三維幾何模型的建立、單元的劃分、邊界條件及載荷的定義、計(jì)算結(jié)果的顯示等。動(dòng)臂和斗桿的有限元分析通過MSC.NASTRAN完成。

（二）有限元模型的建立

有限元分析過程中，目前通常分別采用一維梁?jiǎn)卧投S板殼單元兩種形式對(duì)幾何模型進(jìn)行離散。

梁?jiǎn)卧Ｐ褪抢脙桑ㄈ┕?jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧獙?duì)動(dòng)臂及斗桿進(jìn)行離散，實(shí)際結(jié)構(gòu)特性以梁?jiǎn)卧慕孛嫣匦詠矸从?。其?yōu)點(diǎn)是：劃分的單元數(shù)目和節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，計(jì)算速度快而且模型前處理工作量不大。但是，這種處理方法無法仔細(xì)分析各結(jié)構(gòu)連接處的應(yīng)力集中問題。板殼元模型則將動(dòng)臂及斗桿離散為一系列板單元，各單元在節(jié)點(diǎn)處相聯(lián)，相鄰單元之間通過公共節(jié)點(diǎn)可以傳遞力和力矩。在實(shí)際工程運(yùn)用中，由于動(dòng)臂及斗桿是由一系列板件組成的結(jié)構(gòu)，宜利用板殼單元進(jìn)行離散，以使分析結(jié)果更準(zhǔn)確。

本次計(jì)算過程中，動(dòng)臂包括有6115個(gè)節(jié)點(diǎn)和6100個(gè)四邊形單元；斗桿包括3312個(gè)節(jié)點(diǎn)和3282個(gè)單元。

（三）斗桿的計(jì)算載荷

斗桿的計(jì)算位置：

1.動(dòng)臂處于最低（動(dòng)臂油缸全縮）；

2.斗桿油缸作用力臂最大（斗桿油缸與斗桿尾部夾角為90度）；

3.斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上；

4.側(cè)齒遇故障作用有橫向力Wk。

設(shè)斗桿與鏟斗的鉸點(diǎn)為C，斗桿與搖桿的鉸點(diǎn)為D，斗桿與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)為B，鏟斗油缸與斗桿的鉸點(diǎn)為F，斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)為E，按模型所給尺寸、位置以及油缸的工作條件，計(jì)算出斗桿各點(diǎn)所受的力如表1所示。（詳細(xì)載荷圖見“小挖掘機(jī)工作裝置載荷的計(jì)算”圖1-5）。

（四）動(dòng)臂的計(jì)算載荷

動(dòng)臂的計(jì)算位置是：

1.動(dòng)臂位于最低（動(dòng)臂油缸全縮）；

2.斗齒尖、鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)、斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)三點(diǎn)位于垂直線上；

3.鏟斗挖掘、斗邊點(diǎn)遇障礙時(shí)。

設(shè)動(dòng)臂與車的鉸點(diǎn)為A，鏟斗油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)為G，動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)為H，動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)為B（詳細(xì)載荷圖見“小挖掘機(jī)工作裝置載荷的計(jì)算”圖2-5）。

二、計(jì)算結(jié)果

（一）動(dòng)臂的剛度

動(dòng)臂的最大位移為48.2mm，位于動(dòng)臂與斗桿連接處（如附錄圖1所示）；

（二）動(dòng)臂的強(qiáng)度

1.動(dòng)臂最大應(yīng)力點(diǎn)位于斗桿缸支座處，應(yīng)力為366MPa；

2.動(dòng)臂與機(jī)座相連處的最大應(yīng)力為269MPa；

3.動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂連接處的應(yīng)力存在應(yīng)力集中，應(yīng)力值為266MPa；

4.動(dòng)臂中三個(gè)加強(qiáng)筋所受應(yīng)力均小于相應(yīng)位置的上下蓋板的應(yīng)力，最大應(yīng)力為100MPa左右，且加強(qiáng)筋中間區(qū)域應(yīng)力較??；

5.動(dòng)臂前端下蓋板處的最大應(yīng)力為147MPa；

（三）動(dòng)臂的改進(jìn)方案

按照兩種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析的結(jié)果表明：

1.動(dòng)臂上斗桿缸支座修改結(jié)構(gòu)1（支座外形為直線）對(duì)動(dòng)臂總體的應(yīng)力分布無明顯影響，但支座上的最大應(yīng)力點(diǎn)由原圓弧處變動(dòng)到支座與上蓋板連接處，同時(shí)應(yīng)力降為325MPa。

2.動(dòng)臂上斗桿缸支座修改結(jié)構(gòu)2（支座外形為大圓弧曲線）對(duì)動(dòng)臂總體的應(yīng)力分布無明顯影響，同時(shí)支座上的最大應(yīng)力點(diǎn)仍位于圓弧處，但應(yīng)力降為321MPa。

（四）斗桿的剛度

斗桿在所加載荷作用下最大位移為4.73mm，位于斗桿與挖斗連接處；

斗桿的強(qiáng)度

1.最大應(yīng)力位于鏟斗缸支座上圓弧過渡處，其值為138Mpa；

2.上蓋板應(yīng)力最大區(qū)位于鏟斗缸支座與上蓋板連接處，為93MPa左右，同時(shí)該處為應(yīng)力集中區(qū)。

3.下蓋板最大應(yīng)力值為120MPa，位于板的中間部位；

4.左右兩側(cè)板應(yīng)力較小，其應(yīng)力介于上下蓋板應(yīng)力值之間；

5.斗桿與鏟斗連接處最大應(yīng)力值為75MPa；

6.斗桿與動(dòng)臂連接處最大應(yīng)力值為110MPa，位于孔邊緣；

7.斗桿與斗桿缸連接處最大應(yīng)力值為48MPa；

8.斗桿中筋板的應(yīng)力較小，基本不超過40MPa；