挖斗可偏轉(zhuǎn)挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張晴晴 謝 傲 龔智強(qiáng)

（巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 安徽巢湖 238000）

挖斗可偏轉(zhuǎn)挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張晴晴 謝 傲 龔智強(qiáng)

（巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 安徽巢湖 238000）

首先提出了一種新型挖斗可偏轉(zhuǎn)挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)描述了其關(guān)鍵部件偏轉(zhuǎn)油缸的結(jié)構(gòu)和工作原理。然后依據(jù)直線運(yùn)動(dòng)油缸輸出力和挖掘阻力分析了在最大挖掘力瞬間偏轉(zhuǎn)油缸的受力情況。最后對(duì)偏轉(zhuǎn)油缸進(jìn)行了靜力學(xué)分析，分析結(jié)果顯示，外部結(jié)構(gòu)中應(yīng)力最大值為208.59MPa，變形最大值為0.182mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中應(yīng)力最大值為237.81MPa，變形最大值為0.162mm，均符合各自材料的使用要求。

挖斗可偏轉(zhuǎn)挖掘機(jī)；擺動(dòng)油缸；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；靜力學(xué)分析

液壓挖掘機(jī)是目前工程上進(jìn)行土方挖掘工作最主要的機(jī)械之一， 在國(guó)內(nèi)外眾多工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1[1]提出了一種挖掘機(jī)工作裝置旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)上述動(dòng)作，該機(jī)構(gòu)的動(dòng)臂前端設(shè)有一旋轉(zhuǎn)臂，旋轉(zhuǎn)臂可相對(duì)動(dòng)臂發(fā)生左右旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)斗桿和挖斗相對(duì)于動(dòng)臂左右旋轉(zhuǎn)，可在一定程度上提高挖掘機(jī)工作裝置的靈活性。但是該機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，挖斗、斗桿和旋轉(zhuǎn)臂均要發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致其工作范圍仍較大，靈活性有限，且旋轉(zhuǎn)臂和動(dòng)臂之間的連接強(qiáng)度得不到保證。

針對(duì)上述問題，本文提出一種在斗桿上設(shè)置偏轉(zhuǎn)油缸，由偏轉(zhuǎn)油缸帶動(dòng)挖斗實(shí)現(xiàn)左右90°轉(zhuǎn)動(dòng)的改進(jìn)方法，并針對(duì)挖斗可偏轉(zhuǎn)挖掘機(jī)，設(shè)計(jì)了一種新型的偏轉(zhuǎn)油缸。隨后分析計(jì)算偏轉(zhuǎn)油缸在挖掘過程中的受力情況，并將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用到偏轉(zhuǎn)油缸的靜力學(xué)仿真分析中，分析偏轉(zhuǎn)油缸的應(yīng)力與應(yīng)變，最后通過判斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與零件選材是否滿足要求來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的挖斗可偏轉(zhuǎn)挖掘機(jī)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的挖掘工作。

一、挖斗可偏轉(zhuǎn)挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）總體工作裝置的設(shè)計(jì)。為提高挖掘機(jī)挖斗的靈活性，減小其工作所需的空間范圍，使挖斗能在機(jī)身和動(dòng)臂保持不動(dòng)的情況下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，挖斗需要一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力輸入源，本文采用偏轉(zhuǎn)油缸為挖斗提供轉(zhuǎn)動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。偏轉(zhuǎn)油缸設(shè)置在斗桿的頂部，斗桿的頂部通過連接塊與偏轉(zhuǎn)油缸底部的輸出軸相連，偏轉(zhuǎn)油缸的頂部通過連接架與斗桿油缸鉸接，偏轉(zhuǎn)油缸整體鉸接在動(dòng)臂的最前端。工作時(shí)，偏轉(zhuǎn)油缸作為斗桿的一部分參與挖掘工作，又可為挖斗提供回轉(zhuǎn)動(dòng)力，使挖斗實(shí)現(xiàn)“十”字挖掘工作[2]。

圖1 挖斗可偏轉(zhuǎn)挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 偏轉(zhuǎn)油缸主視圖

（二）偏轉(zhuǎn)油缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文中所設(shè)計(jì)的偏轉(zhuǎn)油缸下接斗桿上接動(dòng)臂，在工作過程中不僅要提供挖斗的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力，還要承受較大的沖擊力。偏轉(zhuǎn)油缸的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，偏轉(zhuǎn)油缸[4]第一端蓋和第二端蓋分別位于兩端，第一端蓋和第二端蓋之間設(shè)置有缸筒和轉(zhuǎn)動(dòng)軸，缸筒與第一端蓋和第二端蓋固定連接，轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過推力軸承連接在第一端蓋和第二端蓋上，缸筒和轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間設(shè)置有滑動(dòng)套，滑動(dòng)套兩端分別設(shè)置有活塞，活塞通過密封圈密封，活塞與滑動(dòng)套固定連接，撥動(dòng)銷的一端固定在滑動(dòng)套上，另一端放置在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的螺旋凹槽內(nèi)，并與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的螺旋凹槽滑動(dòng)接觸，左右兩個(gè)活塞、分別與端蓋和端蓋以及缸筒與轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間形成左右兩個(gè)密閉油腔，左右兩個(gè)油腔上分別設(shè)置有進(jìn)出油口K1、K2，活塞帶動(dòng)滑動(dòng)套在缸筒內(nèi)沿導(dǎo)向桿來回移動(dòng)，導(dǎo)向桿設(shè)置在第一端蓋和第二端蓋之間，并與兩端蓋固定連接。轉(zhuǎn)動(dòng)軸上開有至少兩個(gè)均勻分布的螺旋凹槽，軸承為推力軸承，撥動(dòng)銷的個(gè)數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的螺旋凹槽個(gè)數(shù)相同。

如圖3所示，偏轉(zhuǎn)油缸的導(dǎo)向桿穿過位于活塞和活動(dòng)套上的圓孔，并安裝在第一端蓋和第二端蓋的相應(yīng)安裝孔內(nèi)，使導(dǎo)向桿有固定的位置，從而對(duì)活塞和滑動(dòng)套的直線運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，防止活動(dòng)套在移動(dòng)的過程中在缸體內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)軸的兩端通過推力軸承安裝在第一端蓋和第二端蓋上，所以轉(zhuǎn)動(dòng)軸可以承受較大的軸向沖擊力和較大的軸向支撐力，因此偏轉(zhuǎn)油缸的結(jié)構(gòu)能夠滿足較高的強(qiáng)度要求，可以作為斗桿的一部分，并且能夠像斗桿一樣承重和耐沖擊。

圖3 偏轉(zhuǎn)油缸俯視圖

圖4 偏轉(zhuǎn)油缸運(yùn)動(dòng)部件示意圖

如圖4所示，偏轉(zhuǎn)油缸的活塞帶動(dòng)滑動(dòng)套一起沿著導(dǎo)向桿作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)與滑動(dòng)套固定連接的撥動(dòng)銷作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，由于撥動(dòng)銷的另一端與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的螺旋凹槽滑動(dòng)接觸，會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，活塞的正行程會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸發(fā)生正轉(zhuǎn)，活塞的反行程會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸發(fā)生反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍與其上的螺旋凹槽的螺旋圈數(shù)有關(guān)，本實(shí)施例中設(shè)置圈數(shù)為1圈，當(dāng)撥動(dòng)銷處在螺旋凹槽的中間位置時(shí)，向兩端各運(yùn)動(dòng)1/2圈，即可實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)角度從-180°到+180°之間變化。因此通過偏轉(zhuǎn)油缸輸出的擺動(dòng)角度，可以帶動(dòng)斗桿和挖斗的左右擺動(dòng)。若減少圈數(shù)就可縮小轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍，根據(jù)減小的圈數(shù)，實(shí)現(xiàn)角度的無級(jí)可調(diào)。通過改變轉(zhuǎn)動(dòng)軸螺旋凹槽的螺距，可以改變螺旋角，從而實(shí)現(xiàn)輸出扭矩的調(diào)節(jié)。另外，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，撥動(dòng)銷與轉(zhuǎn)動(dòng)軸螺旋凹槽始終滑動(dòng)接觸，運(yùn)動(dòng)過程平穩(wěn)。

二、偏轉(zhuǎn)油缸受力分析

挖掘力是衡量挖斗裝置挖掘性能的重要指標(biāo)之一，可分為液壓缸的理論挖掘力、整機(jī)的理論挖掘力和整機(jī)的實(shí)際挖掘力三類[3]。實(shí)際挖掘力牽涉到坡度、風(fēng)力等外在因素以及機(jī)構(gòu)的工作效率等內(nèi)在因素，在本次研究中忽略不計(jì)。本研究中的模型只是簡(jiǎn)易的工作裝置，只考慮液壓缸的理論挖掘力。對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行受力分析，受力關(guān)系如圖5所示。

圖5 工作裝置受力圖

根據(jù)挖掘機(jī)的工作情況和測(cè)試可知，斗桿和動(dòng)臂垂直時(shí)，并且挖斗斗齒上的作用力與斗桿貢獻(xiàn)時(shí)，斗桿截面上所受的反作用力最大，可作為偏轉(zhuǎn)油缸受力分析時(shí)的的最大輸入量。

挖斗在挖掘時(shí)，土壤切削阻力隨挖掘深度的增加而增加，切削阻力與切削深度基本成正比，但總的來說，前半程的切削阻力比后半程大，因?yàn)榍鞍脒^程的切削較困難，產(chǎn)生的切削阻力較大，切向切削阻力W1（圖5）如公式（1）所示。裝土

阻力的切向分力W2可以用公式（2）表示[3]：

挖斗裝土阻力的切向分力為：

經(jīng)初步估算知，W'1與W1相比很小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)；時(shí)，出現(xiàn)挖斗最大切向分力W1max：

C：土壤硬度的系數(shù)，對(duì)II級(jí)土壤C=50-80；

R：轉(zhuǎn)斗切削半徑，取R＝1.1m；

B：斗齒寬度影響系數(shù)，B＝1+2.6b，b為挖斗平均寬度，單位為m；

φ：挖斗瞬時(shí)轉(zhuǎn)角；

φmax：挖掘過程中挖斗總轉(zhuǎn)角的一半；

A：切削角變化影響系數(shù)，一般取A=1.3；

Z：斗齒系數(shù)，有齒時(shí)，Z=0.75；無齒時(shí)，Z=1；

X：斗側(cè)壁厚影響系數(shù)，X=1十0.03s，其中s為側(cè)壁厚度，單位為m;

D：斗齒擠壓土壤的力，根據(jù)斗量大小，D=10000～17000，本文中D取15000。

實(shí)驗(yàn)表明法向挖掘阻力的方向是變化的，數(shù)值也較小，一般取 W2=0～0.2W1[8]。計(jì)算得出 W1=95KN，W2=15KN。

壓力油輸入無活塞桿的油缸腔室時(shí)，油液產(chǎn)生的作用力[4]：

壓力油輸入有活塞桿的油缸腔室時(shí)，油液產(chǎn)生的作用力[6]：

根據(jù)設(shè)計(jì)初始條件設(shè)定斗桿油缸、動(dòng)臂油缸、挖斗油缸的缸筒內(nèi)徑為100mm；偏轉(zhuǎn)油缸的缸筒內(nèi)徑為200mm，芯軸直徑為80mm。按液壓缸正常工作壓力為20mm，再根據(jù)公式（3）和公式（4），則有斗桿油缸輸出的推力、動(dòng)臂油缸輸出的推力、挖斗油缸輸出的推力均為，偏轉(zhuǎn)油缸中固定套所受液壓油推力為的。

三、偏轉(zhuǎn)油缸的靜力學(xué)仿真分析

本部分的主要內(nèi)容是依據(jù)有限元分析法對(duì)偏轉(zhuǎn)油缸作靜力學(xué)分析，得出偏轉(zhuǎn)油缸在工作裝置受力最大的瞬間應(yīng)力和變形，從分析結(jié)果中查找最大應(yīng)力點(diǎn)和最大應(yīng)力值，最大變形位置和最大形變值，并將其與材料的許用特性對(duì)比，總結(jié)設(shè)計(jì)結(jié)果[5-6]。

本文對(duì)在SolidWorks中預(yù)設(shè)計(jì)和繪制好的偏轉(zhuǎn)油缸的三維設(shè)計(jì)圖進(jìn)行減化，去除偏轉(zhuǎn)油缸中的小孔、螺紋等不影響靜力學(xué)分析的細(xì)小結(jié)構(gòu)，然后將其另存為parasolid或iges等中間格式，最后將模型導(dǎo)入到ANSYSWorkbench中的StaticStructural模塊中進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析過程中個(gè)零部件的材料及其材料屬性按表1所示設(shè)置[7]。

表1 零部件的材料及其屬性

進(jìn)入Model模型編輯界面后，將第一端蓋、第二端蓋、活塞、缸筒、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、連接塊、固定架、芯軸，固定套按網(wǎng)格大小為6mm劃分，將推力軸承、撥動(dòng)銷、導(dǎo)向桿、連接架按網(wǎng)格大小為3mm劃分。然后按本文第二部分偏轉(zhuǎn)油缸的受力分析中計(jì)算得到的力的大小和方向設(shè)置約束條件和邊界條件。最后求解得到如圖6所示偏轉(zhuǎn)油缸外部的分布圖和如圖7所示偏轉(zhuǎn)油缸內(nèi)部應(yīng)力分析圖，以及如圖8所示偏轉(zhuǎn)油缸外部變形分布圖和如圖9所示偏轉(zhuǎn)油缸內(nèi)部變形分布圖。

圖6 偏轉(zhuǎn)油缸外部應(yīng)力分布圖

圖7 偏轉(zhuǎn)油缸內(nèi)部應(yīng)力分布圖

圖8 偏轉(zhuǎn)油缸外部變形分布圖

圖9 偏轉(zhuǎn)油缸內(nèi)部變形分布圖

由圖6和圖7可知，外部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布最大的區(qū)域在連接架、連接塊和固定架上，內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布區(qū)域最大出現(xiàn)在撥動(dòng)銷和轉(zhuǎn)動(dòng)軸的右端。由圖8和圖9可知，外部結(jié)構(gòu)最大變形區(qū)在固定架上，內(nèi)部結(jié)構(gòu)最大變形區(qū)在撥動(dòng)銷上。將應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)提取列表，并與許用參數(shù)對(duì)比，得到表2所示的參數(shù)對(duì)照表。

表2 參數(shù)對(duì)照表

從圖9和表2中可以看出外部結(jié)構(gòu)中，連接架、連接塊和固定架處于應(yīng)力分布較大區(qū)域，應(yīng)力值為115.88—208.59MPa，顯著小于其材料45鋼的屈服強(qiáng)度355MPa，其變形值為0.114—0.182mm，由于45鋼具有較好的塑性和彈性，能夠滿足偏轉(zhuǎn)油缸的使用要求，且若將45鋼經(jīng)過調(diào)制處理后使用效果更好。內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，撥動(dòng)銷和轉(zhuǎn)動(dòng)軸的應(yīng)力分布為132.11—237.81MPa，它們的材料分別為45Mn和65Mn，屈服強(qiáng)度均大于應(yīng)力值。由于45Mn和65Mn均具有較好的塑性和彈性，可滿足0.101—0.162mm的變形要求。

四、結(jié)語

本文提出一種新的挖斗可偏轉(zhuǎn)挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)，完成了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，描述了其工作過程，并詳細(xì)描述了其關(guān)鍵部件偏轉(zhuǎn)油缸的結(jié)構(gòu)和工作原理。然后依據(jù)直線運(yùn)動(dòng)油缸輸出力和挖掘阻力分析了最大挖掘力瞬間的偏轉(zhuǎn)油缸的受力情況。最后在ANSYS Workbench中對(duì)偏轉(zhuǎn)油缸進(jìn)行了靜力學(xué)分析，分析結(jié)果顯示，偏轉(zhuǎn)油缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇滿足使用要求。

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TH16

A

2095-0438（2017）12-0146-04

2017-06-22

張晴晴（1989-），女，安徽懷遠(yuǎn)人，巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院助教，碩士研究生，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KJ2015A246）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201610380012）。

[責(zé)任編輯 鄭麗娟]