基于不同工作載荷的鏟斗結(jié)構(gòu)特性分析*

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。