礦用裝載機(jī)鏟斗有限元強(qiáng)度分析

吳衛(wèi)萍

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東韶關(guān)512126）

礦用裝載機(jī)鏟斗有限元強(qiáng)度分析

吳衛(wèi)萍

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東韶關(guān)512126）

建立了礦用裝載機(jī)三維模型，并分析鏟斗的受力情況，針對(duì)鏟斗插入、鏟取和提升3個(gè)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(jī)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(yīng)力云圖和等效位移云圖。結(jié)果表明，鏟斗的最大等效應(yīng)力和最大等效位移均在鏟取階段，插入階段的應(yīng)力和位移最小，提升階段的應(yīng)力和位移介于兩者之間。

礦用裝載機(jī)；鏟斗；強(qiáng)度分析

0 引言

裝載機(jī)是機(jī)械應(yīng)用中十分常見(jiàn)的大型機(jī)械，具有生產(chǎn)效率高、可靠性高、工作環(huán)境廣、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛的應(yīng)用于煤炭、礦山開(kāi)采、道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、水利水電施工、國(guó)防建設(shè)和公用性基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等場(chǎng)合［1－3］。裝載機(jī)的主要工作部件由鏟斗、搖臂、連桿、動(dòng)臂及配套的液壓缸裝置構(gòu)成［4］。在工作過(guò)程中，鏟斗是完成整個(gè)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(nèi)完成整個(gè)動(dòng)作指令。鏟斗在整個(gè)工作過(guò)程中易受到較大的沖擊外力，在和堅(jiān)硬物體的接觸滑移過(guò)程中容易造成劇烈的磨損［5－6］。所以，鏟斗直接影響著整個(gè)裝載機(jī)的性能與壽命，本文針對(duì)裝載機(jī)鏟斗的強(qiáng)度進(jìn)行了分析。

由于裝載機(jī)鏟斗的重要性，國(guó)內(nèi)外都投入了大量的人力、物力、財(cái)力對(duì)其工作部件的可靠性及壽命進(jìn)行了研究。本文主要以常用的礦用裝載機(jī)為研究對(duì)象，首先建立礦用裝載機(jī)的三維模型，并運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)其在實(shí)際工況下的應(yīng)力和位移進(jìn)行了仿真分析，得到了礦用裝載機(jī)鏟斗在整個(gè)工作過(guò)程中的受力分布情況，總結(jié)出其易磨損及疲勞損壞的區(qū)域，為鏟斗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

1 裝載機(jī)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(jī)模型如圖1所示。圖中1為鏟斗，是整個(gè)裝載機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是整個(gè)工作中的受力構(gòu)件；2為動(dòng)臂，可實(shí)現(xiàn)鏟斗的提升和降低功能，是傳遞機(jī)構(gòu)；3為動(dòng)臂液壓缸，主要給動(dòng)臂提供動(dòng)力源；4為搖臂液壓缸；5為搖臂，該機(jī)構(gòu)可在液壓缸的帶動(dòng)下完成鏟斗的轉(zhuǎn)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(jī)模型

1．2 鏟斗受力分析

如圖2所示，為鏟斗的實(shí)際受力情況。在鏟斗的工作過(guò)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(jī)的受力過(guò)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(jī)鏟斗工況極為復(fù)雜，本文主要計(jì)算了裝載機(jī)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(duì)鏟斗的工作過(guò)程選取插入階段、鏟取階段和提升階段進(jìn)行分析，這里鏟斗所受的最大水平載荷由裝載機(jī)的最大牽引力決定，最大負(fù)載則由鏟斗和物體的自重決定。

2 鏟斗有限元強(qiáng)度分析

2．1 有限元分析步驟

首先，在solidworks軟件中完成整機(jī)的建模和裝配工作，考慮極端工況并計(jì)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(dǎo)入到ABAQUS軟件中為進(jìn)行鏟斗的強(qiáng)度分析做準(zhǔn)備。有限元分析主要分為前處理、分析計(jì)算、后處理3個(gè)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(jìn)行網(wǎng)格劃分等。

2．2 鏟斗材料屬性

考慮到鏟斗在工作過(guò)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(qiáng)度的20CrMnMo材料，其余部分均選擇16Mn材料，各材料的力學(xué)性能見(jiàn)表1所示。

表1 各材料力學(xué)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(gè)銷孔x、y、z3個(gè)方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度［7］。本文選取某煤礦用裝載機(jī)常用工況，即取鏟斗底刃上的水平載荷為150kN，取提升時(shí)的鏟斗最大垂直載荷158kN，由于側(cè)刃、側(cè)板所受的切削力和垂直重力相對(duì)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(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確與否。綜合考慮運(yùn)算時(shí)間和計(jì)算精度，以網(wǎng)格的最大尺寸為125mm，最小為3mm進(jìn)行四面體網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。并對(duì)應(yīng)力梯度變化較大的部分進(jìn)行網(wǎng)格再劃分，得到的鏟斗有限元模型共有311 240個(gè)節(jié)點(diǎn)，178 526個(gè)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(jié)果

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

圖4 鏟斗在插入階段應(yīng)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(yīng)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(yīng)力云圖

圖9 鏟斗在舉升階段位移云圖

表2 鏟斗最大應(yīng)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(yīng)力分布均主要集中在耳板下部與鏟斗結(jié)合部位；在插入階段，鏟斗的斗齒相對(duì)于其他兩個(gè)階段有較大的應(yīng)力分布，但相對(duì)耳板處而言該應(yīng)力較小。通過(guò)后處理結(jié)果可知插入階段的最大等效應(yīng)力為103．8MPa，鏟取階段的最大等效應(yīng)力為230．1MPa，提升階段的最大等效應(yīng)力為195．4MPa，由最大應(yīng)力數(shù)值可知，在鏟取作業(yè)階段具有最大的等效應(yīng)力，插入作業(yè)階段具有最小的等效應(yīng)力，而提升階段的最大等效應(yīng)力介于插入和鏟取之間。仿真結(jié)果的最大等效應(yīng)力分布和實(shí)際情況中鏟斗易損傷部位接近，表明仿真計(jì)算結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。

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

強(qiáng)度校核根據(jù)強(qiáng)度校核的計(jì)算公式［8］：

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

4 結(jié)語(yǔ)

建立了整個(gè)裝載機(jī)三維模型，對(duì)鏟斗進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，分析了鏟斗的受力情況，在ABAQUS軟件中，針對(duì)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(yīng)力云圖和最大位移云圖。通過(guò)有限元分析，得到最大應(yīng)力部位與實(shí)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(qiáng)筋以提高底板的強(qiáng)度，可增加耳板厚度以提高其強(qiáng)度，從而提高礦用裝載機(jī)設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化及疲勞壽命。

［1］李愛(ài)峰，高素荷．WK－35礦用挖掘機(jī)鏟斗結(jié)構(gòu)特性分析研究［J］．煤礦機(jī)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(jī)斗桿的有限元分析［J］．煤礦機(jī)械，2010，31（2）：71－74．

［3］石沛林，徐冠林，張立榮．ZL50型裝載機(jī)鏟斗的應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．工程機(jī)械，2008，39：29－24．

［4］張倩，單忠德，鄒愛(ài)玲，等．基于ANSYS Workbench的裝載機(jī)鏟斗有限元分析［J］．起重運(yùn)輸機(jī)械，2013，12：71－75．

［5］曾慶強(qiáng)，秦四成，趙騰云，等．裝載機(jī)鏟斗鏟掘過(guò)程受力分析［J］．工程機(jī)械，2011，42：18－23．

［6］李志虎．基于CAE挖掘機(jī)鏟斗的力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］．橋隧施工與機(jī)械，2015，9：89－84．

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

［8］周開(kāi)勤．機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)［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(rùn)，講師主要研究機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化。