礦用裝載機鏟斗有限元強度分析

吳衛(wèi)萍

（廣東松山職業(yè)技術學院，廣東韶關512126）

礦用裝載機鏟斗有限元強度分析

吳衛(wèi)萍

（廣東松山職業(yè)技術學院，廣東韶關512126）

建立了礦用裝載機三維模型，并分析鏟斗的受力情況，針對鏟斗插入、鏟取和提升3個不同階段，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)下的等效應力云圖和等效位移云圖。結果表明，鏟斗的最大等效應力和最大等效位移均在鏟取階段，插入階段的應力和位移最小，提升階段的應力和位移介于兩者之間。

礦用裝載機；鏟斗；強度分析

0 引言

裝載機是機械應用中十分常見的大型機械，具有生產效率高、可靠性高、工作環(huán)境廣、操作簡單等優(yōu)點，已廣泛的應用于煤炭、礦山開采、道路基礎設施建設、水利水電施工、國防建設和公用性基礎設施建設等場合［1－3］。裝載機的主要工作部件由鏟斗、搖臂、連桿、動臂及配套的液壓缸裝置構成［4］。在工作過程中，鏟斗是完成整個工作指令的執(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完成整個動作指令。鏟斗在整個工作過程中易受到較大的沖擊外力，在和堅硬物體的接觸滑移過程中容易造成劇烈的磨損［5－6］。所以，鏟斗直接影響著整個裝載機的性能與壽命，本文針對裝載機鏟斗的強度進行了分析。

由于裝載機鏟斗的重要性，國內外都投入了大量的人力、物力、財力對其工作部件的可靠性及壽命進行了研究。本文主要以常用的礦用裝載機為研究對象，首先建立礦用裝載機的三維模型，并運用ABAQUS有限元分析軟件對其在實際工況下的應力和位移進行了仿真分析，得到了礦用裝載機鏟斗在整個工作過程中的受力分布情況，總結出其易磨損及疲勞損壞的區(qū)域，為鏟斗結構的優(yōu)化設計提供了一定的理論依據(jù)。

1 裝載機模型的建立及受力分析

1．1 模型建立

在三維建模軟件中建立裝載機模型如圖1所示。圖中1為鏟斗，是整個裝載機的執(zhí)行機構，也是整個工作中的受力構件；2為動臂，可實現(xiàn)鏟斗的提升和降低功能，是傳遞機構；3為動臂液壓缸，主要給動臂提供動力源；4為搖臂液壓缸；5為搖臂，該機構可在液壓缸的帶動下完成鏟斗的轉向，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。

圖1 裝載機模型

1．2 鏟斗受力分析

如圖2所示，為鏟斗的實際受力情況。在鏟斗的工作過程中，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。

圖2 鏟斗受力情況

一般情況下，裝載機的受力過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。由于裝載機鏟斗工況極為復雜，本文主要計算了裝載機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，本文對鏟斗的工作過程選取插入階段、鏟取階段和提升階段進行分析，這里鏟斗所受的最大水平載荷由裝載機的最大牽引力決定，最大負載則由鏟斗和物體的自重決定。

2 鏟斗有限元強度分析

2．1 有限元分析步驟

首先，在solidworks軟件中完成整機的建模和裝配工作，考慮極端工況并計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，導入到ABAQUS軟件中為進行鏟斗的強度分析做準備。有限元分析主要分為前處理、分析計算、后處理3個主要步驟。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、進行網(wǎng)格劃分等。

2．2 鏟斗材料屬性

考慮到鏟斗在工作過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度的20CrMnMo材料，其余部分均選擇16Mn材料，各材料的力學性能見表1所示。

表1 各材料力學性能

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個銷孔x、y、z3個方向的移動和轉動自由度［7］。本文選取某煤礦用裝載機常用工況，即取鏟斗底刃上的水平載荷為150kN，取提升時的鏟斗最大垂直載荷158kN，由于側刃、側板所受的切削力和垂直重力相對較低，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算結果的準確與否。綜合考慮運算時間和計算精度，以網(wǎng)格的最大尺寸為125mm，最小為3mm進行四面體網(wǎng)格的自動劃分。并對應力梯度變化較大的部分進行網(wǎng)格再劃分，得到的鏟斗有限元模型共有311 240個節(jié)點，178 526個單元，其有限元模型如圖3所示。

圖3 鏟斗有限元模型

3 分析結果

圖4～5分別為鏟斗在插入過程中的應力云圖和位移云圖；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力云圖和位移云圖。表2為有限元分析得到的各個階段鏟斗的最大等效應力和最大等效位移值。

圖4 鏟斗在插入階段應力云圖

圖5 鏟斗在插入階段位移云圖

圖6 鏟斗在鏟取階段應力云圖

圖7 鏟斗在鏟取階段位移云圖

圖8 鏟斗在舉升階段應力云圖

圖9 鏟斗在舉升階段位移云圖

表2 鏟斗最大應力及位移

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

從圖5、圖7、圖9可以看出，3個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，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。通過以上分析，可通過在底板部位增加一定數(shù)量的加強筋以提高底板的強度。

強度校核根據(jù)強度校核的計算公式［8］：

其中，σlim取鏟取階段的最大等效應力，計算可得［σ］＝243．1MPa＞σmax＝230．1MPa。從該強度校核結果可知鏟斗設計的強度滿足使用要求。從位移量來說，鏟斗的最大位移量為17．39mm，總體變形量不大?？偟膩碚f，鏟斗耳板部位、鉸接處和斗齒部位應力較大，其余部位應力較小且都低于許用應力。

4 結語

建立了整個裝載機三維模型，對鏟斗進行了相應的簡化，分析了鏟斗的受力情況，在ABAQUS軟件中，針對鏟斗的插入、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力云圖和最大位移云圖。通過有限元分析，得到最大應力部位與實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)量的加強筋以提高底板的強度，可增加耳板厚度以提高其強度，從而提高礦用裝載機設計、分析、優(yōu)化及疲勞壽命。

［1］李愛峰，高素荷．WK－35礦用挖掘機鏟斗結構特性分析研究［J］．煤礦機械，2012，33（1）：107－109．

［2］李燕，李建偉，楊玉嬌．基于ABAQUS的液壓反鏟挖掘機斗桿的有限元分析［J］．煤礦機械，2010，31（2）：71－74．

［3］石沛林，徐冠林，張立榮．ZL50型裝載機鏟斗的應力分析與結構優(yōu)化設計［J］．工程機械，2008，39：29－24．

［4］張倩，單忠德，鄒愛玲，等．基于ANSYS Workbench的裝載機鏟斗有限元分析［J］．起重運輸機械，2013，12：71－75．

［5］曾慶強，秦四成，趙騰云，等．裝載機鏟斗鏟掘過程受力分析［J］．工程機械，2011，42：18－23．

［6］李志虎．基于CAE挖掘機鏟斗的力學及運動學分析［J］．橋隧施工與機械，2015，9：89－84．

［7］石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析實例詳解［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2008．

［8］周開勤．機械零件設計手冊［M］．北京：高等教育出版社，2001．

The Finite Element Strength Analysis of Mine Loader Shovel

WU Wei－ping
（Guangdong Songshan Polytechnic College，Shaoguan Guangdong512126，China）

The three dimensional model of mine loader shovel has been established and the stress situation of shovel has been analyzed．Aiming at the three different steps of shovel insertion，shovel and lifting，the dif－ferent boundary conditions and loads have been finished by applying ABAQUS finite element analysis software，and the stress distribution of loader shovel has been obtained．The equivalent stress and displacement under different conditions were exported．The results show that both the maximum equivalent stress and displacement have been obtained at the shovel stage．The stress and displacement are the smallest at the insertion stage，and the stress and displacement at the lifting stage are between the insertion stage and shovel stage，which can provide the reference and suggestion for further optimization of loader shovel．

mine loader；shovel；strength analysis

TH243

A

1009－8984（2016）02－0042－04

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．010

2016－04－08

吳衛(wèi)萍（1979－），女（漢），河北豐潤，講師主要研究機械設計及自動化。