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      基于不同工作載荷的鏟斗結(jié)構(gòu)特性分析*

      2020-03-31 09:15:16任志貴孫浩然王軍利劉菊蓉朱昊杰
      機(jī)電工程 2020年3期
      關(guān)鍵詞:斗桿挖掘機(jī)液壓缸

      任志貴,孫浩然,王軍利,劉菊蓉,朱昊杰

      (1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 漢中 723001;2.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 漢中 723001)

      0 引 言

      液壓挖掘機(jī)是一種常用的工程機(jī)械,其作業(yè)效率在很大程度上取決于工作裝置的性能。鏟斗作為任務(wù)執(zhí)行終端,直接與土壤接觸,鏟斗的損壞在工程應(yīng)用中十分常見(jiàn)。因此,鏟斗的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足挖掘機(jī)的工作需求成為挖掘機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

      在以往的研究中,有限元法是國(guó)內(nèi)外學(xué)者分析工作裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的常用方法[1-3]。崔國(guó)華[4]基于4種典型工況,提出了液壓挖掘機(jī)工作裝置整體集成的有限元分析法。PATEl[5]基于強(qiáng)度理論,使用有限元法對(duì)鏟斗進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特性分析。SHAIKH[6]基于單獨(dú)挖掘理論,對(duì)不同構(gòu)的斗齒進(jìn)行了靜力學(xué)分析和拓?fù)鋬?yōu)化。許莉鈞等[7]基于經(jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算得到了挖掘阻力,對(duì)典型工況下鏟斗的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了優(yōu)化。HADI[8]基于油缸結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算了單獨(dú)挖掘的理論挖掘力,使用有限元法對(duì)梯形鏟斗進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特性分析。

      綜上所述,現(xiàn)有研究主要基于經(jīng)驗(yàn)公式,或者鏟斗、斗桿的單獨(dú)挖掘方式,進(jìn)行鏟斗的強(qiáng)度分析。而筆者發(fā)現(xiàn),斗桿和鏟斗共同作用的復(fù)合挖掘是實(shí)際挖掘過(guò)程中常用的挖掘方式。另外,在實(shí)際挖掘過(guò)程中,鏟斗往往在未達(dá)到理論壽命之前便發(fā)生了嚴(yán)重的磨損或斷裂等破壞。因此,復(fù)合挖掘或許是一種被忽略的造成鏟斗破壞的重要因素。

      為驗(yàn)證該猜想,本文將分別基于挖掘阻力經(jīng)驗(yàn)公式、單獨(dú)挖掘理論挖掘力模型和復(fù)合挖掘理論挖掘力模型,計(jì)算出某21 T挖掘機(jī)鏟斗齒尖載荷,利用有限元法計(jì)算鏟斗在不同載荷作用下的應(yīng)力、變形情況,根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析復(fù)合挖掘方式對(duì)挖掘機(jī)鏟斗結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

      1 載荷計(jì)算

      工作載荷是計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ),現(xiàn)有挖掘機(jī)載荷計(jì)算主要包括兩種方法:一種是基于經(jīng)驗(yàn)公式的挖掘阻力計(jì)算模型;另一種是基于挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘液壓缸工作能力充分發(fā)揮的理論挖掘力計(jì)算模型。前者與土壤特性和鏟斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),后者與挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、油缸壓力和具體挖掘工況有關(guān)。

      為求解挖掘機(jī)在最危險(xiǎn)工況下的理論挖掘力,本文根據(jù)挖掘機(jī)工作裝置法的應(yīng)力特性,選定4種典型工況作為理論挖掘力的計(jì)算依據(jù)[9]。

      挖掘機(jī)工況如圖1所示。

      圖1 挖掘機(jī)工作裝置工況示意圖

      令θ1表示動(dòng)臂AB與水平方向的夾角,θ2表示斗桿BG與動(dòng)臂AB的夾角;θ3表示鏟斗GJ與斗桿BG的夾角。

      4種典型工況對(duì)應(yīng)的角度值如表1所示。

      表1 各工況關(guān)鍵角度

      1.1 挖掘阻力載荷

      根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[10],鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí),切向挖掘阻力為:

      (1)

      當(dāng)使用斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí),斗桿挖掘的切向挖掘阻力計(jì)算公式為:

      (2)

      式(1,2)中的參數(shù)及取值如表2所示。

      表2 參數(shù)含義及取值

      將表2中參數(shù)值代入式(1,2)中,可分別計(jì)算出鏟斗挖掘和斗桿挖掘兩種挖掘方式下的最大切向阻力。取法向阻力為切向阻力的0.2倍,計(jì)算得到鏟斗挖掘方式下的最大阻力為:

      (3)

      同理,斗桿挖掘方式下的最大阻力為:

      (4)

      1.2 單獨(dú)挖掘力載荷

      理論挖掘力是評(píng)價(jià)挖掘性能的關(guān)鍵參數(shù),現(xiàn)有關(guān)于鏟斗或斗桿單獨(dú)挖掘理論挖掘力模型的研究較為成熟[11]?;谶@些模型,可以計(jì)算出21T挖掘機(jī)鏟斗在4種典型工況下的齒尖載荷,如表3所示。

      表3 各工況單獨(dú)挖掘力數(shù)值

      表3中,方向角表示鏟斗或斗桿單獨(dú)挖掘力的反力(即單獨(dú)挖掘能克服的最大挖掘阻力)與水平方向的夾角。

      1.3 復(fù)合挖掘力載荷

      在挖掘過(guò)程中,挖掘機(jī)既可單獨(dú)使用鏟斗液壓缸或者斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘,也可使用復(fù)合動(dòng)作進(jìn)行挖掘,即動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸三缸聯(lián)動(dòng)挖掘。其中,使用斗桿和鏟斗的復(fù)合挖掘最為常見(jiàn)。因此,對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行分析時(shí),有必要考慮復(fù)合挖掘方式。

      本文根據(jù)文獻(xiàn)[12]中給出的復(fù)合挖掘力計(jì)算模型,計(jì)算出了4種典型工況下的復(fù)合挖掘力,其中工況四對(duì)應(yīng)的復(fù)合挖掘力較大。

      復(fù)合挖掘力隨方向角的變化情況如圖2所示。

      圖2 復(fù)合挖掘力隨方向角的變化

      由圖2可知:同一挖掘工況中,不同方向角對(duì)應(yīng)的復(fù)合挖掘力大小不同。

      結(jié)構(gòu)分析應(yīng)考慮最危險(xiǎn)情況,因此在4種典型工況中分別選取最大復(fù)合挖掘力作為鏟斗齒尖載荷,如表4所示。

      表4 各工況最大復(fù)合挖掘力

      表4中方向角表示復(fù)合挖掘力的反力(即復(fù)合挖掘能克服的最大挖掘阻力)與水平方向的夾角。

      以上計(jì)算結(jié)果表明:(1)在相同工況條件下,鏟斗挖掘力一般不小于斗桿挖掘力;(2)復(fù)合挖掘力大于由經(jīng)驗(yàn)公式得到的挖掘阻力和單獨(dú)挖掘理論挖掘力。

      因此,現(xiàn)有分析方法中只考慮經(jīng)驗(yàn)挖掘阻力或單獨(dú)挖掘力對(duì)鏟斗結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行的分析是不夠全面的,本文基于不同工作載荷分析鏟斗結(jié)構(gòu)特性,從而對(duì)比不同載荷的應(yīng)力和變形情況,判斷復(fù)合挖掘是否為一種被忽略的導(dǎo)致鏟斗破壞的重要因素。

      2 結(jié)構(gòu)特性分析

      2.1 鏟斗有限元模型建立

      經(jīng)過(guò)對(duì)鏟斗結(jié)構(gòu)特征的分析,本文確定了每個(gè)特征的建模方法,并使用建模軟件創(chuàng)建鏟斗三維實(shí)體模型。

      為節(jié)省計(jì)算時(shí)間,本研究將鏟斗模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,去除兩側(cè)的切削刃及細(xì)小螺栓孔,忽略不影響鏟斗整體結(jié)構(gòu)的倒角、圓角,只保留鏟斗主體。

      其材料如表5所示。

      表5 鏟斗材料表

      鏟斗主體作為焊接件,各部位的尺寸精度較低且留有焊縫,不符合有限元模型建模要求,因此本研究在建模時(shí)對(duì)各尺寸進(jìn)行修整,以消除間隙,從而創(chuàng)建合格的鏟斗模型并將建好的模型導(dǎo)入分析軟件后,使用solid186單元對(duì)鏟斗模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其單元數(shù)為226 872,節(jié)點(diǎn)數(shù)為420 233。

      2.2 加載與約束

      鏟斗施加載荷與約束情況如圖3所示。

      以第一節(jié)中計(jì)算得到的幾組數(shù)值作為工作載荷施加于各斗齒尖(挖掘機(jī)正載),工作載荷在XZ平面內(nèi),與坐標(biāo)軸X的夾角θ即為計(jì)算得到的方向角;取各組數(shù)值的0.2倍作為側(cè)向力施加于最右側(cè)斗齒側(cè)(挖掘機(jī)偏載),其方向垂直于XZ平面;在鏟斗與斗桿鉸接孔內(nèi)表面、鏟斗與連桿鉸接孔內(nèi)表面建立全約束。

      圖3 鏟斗載荷與約束示意圖

      2.3 仿真計(jì)算

      2.3.1 施加挖掘阻力載荷的仿真計(jì)算

      挖掘阻力載荷由1.1節(jié)得到,按照2.2節(jié)的方法施加約束與載荷,分別得到鏟斗挖掘與斗桿挖掘的應(yīng)力、變形結(jié)果,如圖4所示。

      圖4 挖掘阻力載荷仿真結(jié)果

      由圖4可知:應(yīng)力較大的部位為與側(cè)向力施加部位相異一側(cè)的斗后壁處、耳板和背板連接處等。其中,斗后壁處的應(yīng)力最大,鏟斗挖掘時(shí)最大應(yīng)力為228.913 MPa,斗桿挖掘時(shí)最大應(yīng)力為80.712 MPa;最大變形部位為左側(cè)斗齒尖處,鏟斗挖掘最大變形為7.545 mm,斗桿挖掘最大變形為2.661 mm。

      2.3.2 施加單獨(dú)挖掘力載荷的仿真計(jì)算

      以表3所示的計(jì)算結(jié)果為載荷,仿真計(jì)算得到4種典型工況對(duì)應(yīng)的鏟斗應(yīng)力變形結(jié)果:工況三對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和變形最大。

      工況三對(duì)應(yīng)的鏟斗與斗桿單獨(dú)挖掘應(yīng)力和變形結(jié)果如圖5所示。

      圖5 單獨(dú)挖掘載荷仿真結(jié)果

      由圖5可知:

      4種典型工況對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、變形分布規(guī)律具有一致性;鏟斗和斗桿單獨(dú)挖掘的應(yīng)力較大部位出現(xiàn)在右側(cè)加強(qiáng)板和切削板的連接處、左側(cè)斗后壁處、耳板和背板連接處。其中,右側(cè)加強(qiáng)板和切削板連接處的應(yīng)力最大,鏟斗挖掘時(shí)最大應(yīng)力為427.434 MPa,斗桿挖掘時(shí)最大應(yīng)力為348.192 MPa;鏟斗和斗桿單獨(dú)挖掘的最大變形都出現(xiàn)在左側(cè)斗齒尖處,鏟斗挖掘時(shí)最大變形為16.470 mm,斗桿挖掘時(shí)最大變形為14.068 mm。

      2.3.3 施加復(fù)合挖掘力載荷的仿真計(jì)算

      以表4所示的計(jì)算結(jié)果為載荷,仿真計(jì)算得到4種典型工況對(duì)應(yīng)的鏟斗應(yīng)力變形結(jié)果表明:工況三對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和變形最大。

      工況三對(duì)應(yīng)的復(fù)合挖掘應(yīng)力和變形結(jié)果如圖6所示。

      圖6 復(fù)合挖掘載荷仿真結(jié)果

      由圖6可知:

      較大應(yīng)力部位分別出現(xiàn)在左側(cè)斗后壁處、右側(cè)加強(qiáng)板和切削板的連接處、耳板和背板連接處;右側(cè)加強(qiáng)板和切削板連接處的應(yīng)力最大,最大應(yīng)力為653.716 MPa。最大變形部位為鏟斗左側(cè)的斗齒尖處,最大變形為22.041 mm。

      2.4 計(jì)算結(jié)果分析

      由應(yīng)力仿真結(jié)果圖看出,在施加側(cè)向集中載荷位置相近區(qū)域,主要是側(cè)加強(qiáng)板和切削板連接處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中。根據(jù)圣維蘭原理,施加集中載荷處的應(yīng)力集中可以忽略。

      對(duì)比所有應(yīng)力和變形分布圖,結(jié)果表明:盡管載荷不同、工況不同,鏟斗的應(yīng)力和變形分布規(guī)律呈現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性。

      在4種典型工況下,施加單獨(dú)挖掘力與復(fù)合挖掘力載荷對(duì)應(yīng)的鏟斗最大應(yīng)力和變形結(jié)果對(duì)比如表6所示。

      表6 不同載荷鏟斗應(yīng)力

      在4種典型工況下,施加單獨(dú)挖掘力與復(fù)合挖掘力載荷對(duì)應(yīng)的鏟斗最大應(yīng)力和變形結(jié)果對(duì)比如表7所示。

      表7 不同載荷鏟斗變形

      表7結(jié)果表明:

      (1)兩種挖掘方式下,工況三的應(yīng)力和變形均高于其他工況,工況三為4種典型工況中的最危險(xiǎn)工況;

      (2)復(fù)合挖掘方式對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和變形普遍高于單獨(dú)挖掘方式,工況三中最大應(yīng)力為653.716 MPa,是單獨(dú)挖掘最大應(yīng)力的153%,最大變形為22.041 mm,是單獨(dú)挖掘最大變形的134%。

      以上結(jié)果說(shuō)明,復(fù)合挖掘方式比單獨(dú)挖掘方式更容易造成鏟斗結(jié)構(gòu)的破壞,該結(jié)論驗(yàn)證了復(fù)合挖掘是一種被忽略的造成鏟斗破壞的重要因素這一猜想。

      3 結(jié)束語(yǔ)

      本文研究了復(fù)合挖掘方式對(duì)鏟斗結(jié)構(gòu)特性的影響,并得到以下結(jié)論:

      (1)在相同工況條件下,鏟斗液壓缸單獨(dú)挖掘力一般不小于斗桿液壓缸單獨(dú)挖掘力;復(fù)合挖掘力大于由經(jīng)驗(yàn)公式得到的挖掘阻力和單獨(dú)挖掘理論挖掘力;

      (2)盡管載荷不同、工況不同,鏟斗的應(yīng)力和變形分布規(guī)律呈現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性,最大應(yīng)力、變形出現(xiàn)位置相同;工況三為4種典型工況中的最危險(xiǎn)工況;

      (3)復(fù)合挖掘方式比單獨(dú)挖掘方式更容易對(duì)鏟斗結(jié)構(gòu)造成破壞,導(dǎo)致鏟斗未達(dá)到理論壽命之前便發(fā)生嚴(yán)重磨損或斷裂等破壞現(xiàn)象,即復(fù)合挖掘動(dòng)作是一種造成鏟斗破壞的重要因素。

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