輪式裝載機工作裝置應力分析

摘要：輪式裝載機是一種重型機械設備，主要被運用到建筑工程項目施工當中，是建筑材料裝在的主要輔助用具。目前應用范圍最廣的是反轉(zhuǎn)六桿機構(gòu)，和其他結(jié)構(gòu)相比，該種結(jié)構(gòu)不僅自動平放性能更好，且鏟掘力度大，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。本文就輪式裝載機的工作裝置展開分析，并以及動臂為主要研究對象，分析動臂這種工作裝置的應力分布情況。

關(guān)鍵詞：輪式裝載機;動臂;工作裝置;應力

中圖分類號：TH243文獻標識碼：A文章編號：2096-6903（2021）10-0042-03

0前言

動臂對于輪式裝載機來講，是重要的工作裝置，主要包含搖臂和鏟斗。動臂本身的工作結(jié)構(gòu)強度直接對裝載機的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，因此，在設計輪式裝載機的工作裝置期間，需要先明確動臂的應力分布情況，完成動臂的各項參數(shù)設計，從而確保裝載機的工作裝置更加順暢。如今，國外一些發(fā)達國家在裝載機方面已經(jīng)形成比較豐富的研究成果，但這些國家獎裝載機的核心技術(shù)精密保護起來。我國也積極研究裝載機的工作裝置，并且通過構(gòu)建仿真模型方式對工作裝置的性能和應力情況展開分析，了解工作裝置的耦合性情況。本文以ZL50G 裝載機動臂作為研究對象，分析該輪式裝載機工作裝置的應力情況。

1輪式裝載機概述

1.1裝載機的分類

輪式裝載機本身具備作業(yè)效率高、機動性能好且作業(yè)速度快等優(yōu)勢，是應用范圍最廣泛的工程機械設備。工作裝置是輪式裝載機結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分，主要開展卸載、鏟掘和運輸物料的工作，是一種空間多連桿及結(jié)構(gòu)。因不同輪式裝載機的桿件數(shù)量不同，形成的工作裝置結(jié)構(gòu)也就不同，主要劃分為八桿機構(gòu)、六桿機構(gòu)、五桿機構(gòu)、四桿機構(gòu)以及三桿機構(gòu)[1]。又因桿件轉(zhuǎn)向不同，被劃分為正轉(zhuǎn)機構(gòu)和反轉(zhuǎn)機構(gòu)兩種類型。本次所研究的輪式裝載機是型號為ZL50G的反轉(zhuǎn)六桿機構(gòu)，了解該設備的動臂應力狀況。

1.2輪式裝載機的構(gòu)成

如圖1所示為輪式裝載機的構(gòu)成情況，從圖中信息可以了解到輪式裝載機主要包含了制動裝置、液壓裝置、轉(zhuǎn)向裝置、行走裝置以及工作裝置等。其中工作裝置是達成輪式裝載機各項工作的主要部分。

作者簡介：宋林峰（1981—），男，山東萊州人，工程師，研究方向：工程機械設計。

如圖2所示為輪式裝載機的工作裝置結(jié)構(gòu)，從圖中信息可以了解到，搖臂和鏟斗是裝載機的主要工作裝置，搖臂是動臂的主要類型之一，動臂的機械強度關(guān)系到裝載機的工作裝置是否能夠答案都作業(yè)要求，對作業(yè)特性產(chǎn)生較為明顯影響。本文對裝載機的工作裝置進行力學研究，探究動臂在工作狀態(tài)下的應力分布情況，從而調(diào)整動臂設計參數(shù)，確保裝載機的工作裝置設計更加系統(tǒng)化、合理化[2]。從靜力學的角度來講，動臂的整體結(jié)構(gòu)會因為處于不同的工況狀態(tài)而形成不同的盈利分布情況，此時在特定的工況狀態(tài)下所呈現(xiàn)出的工作強度需要經(jīng)過多重假設來進行簡化計算，最終了解動臂在該種工況下的載荷狀況，明確設計參數(shù)與實際工作參數(shù)之間的差異性[3]。從動力學角度來講，動臂作為裝載機的主要工作裝置，不同組成構(gòu)件并不會因為正常工況而產(chǎn)生彈性變形。但從實際工作狀態(tài)來看，受到應力分布因素影響，構(gòu)件的柔性體產(chǎn)生變化，進而在不同程度上出現(xiàn)彈性變形問題。

2輪式裝載機工作裝置的設計要求

為保證輪式裝載機的工作裝置處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，在設計工作裝置時，需要遵從如下設計要求：（1）注重工作裝置的干涉性設置。裝載機在運作期間，需要讓工作裝置保持運動狀態(tài)，此時需要通過設計調(diào)整確保運動過程不會受到其他結(jié)構(gòu)的運動干涉[4]。（2）注重鏟斗的平移設計。在工作裝置進行舉升油缸期間，需要保持動臂的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)物料灑落情況，此時可通過參數(shù)調(diào)整和裝置結(jié)構(gòu)設計方式保持鏟斗處于平動狀態(tài)。（3）構(gòu)件傳動角設計期間，需要避免出現(xiàn)機構(gòu)自鎖的情況，因此，設計各個構(gòu)件之間的傳動角，需要做好傳動角的限制范圍設計，避免傳動角超出限制范圍而發(fā)生變動[5]。（4）卸載性設計，輪式裝載機在將物料運輸?shù)教囟ǖ奈恢靡院?，需要保持在特定的卸載位置不動，才能確保將物料完全卸載干凈。因此，可在設計工作裝置時進行傳動裝置和固定位置之間的參照物設計，以此來固定卸載位置[6]。（5）設計最大卸載高度。輪式裝載機中最大卸載高度主要與油缸的舉升高度有直接關(guān)系，油缸可以被舉升的最長位置，且此時鏟斗處于卸載的最低位置時，鏟斗的斗刃和地面之間形成的距離就是裝載機的最大卸載高度。根據(jù)動臂的設計參數(shù)，設計最大卸載高度，保證工作裝置運動狀態(tài)不受限制。

3輪式裝載機動臂工作裝置應力分析

3.1作業(yè)阻力分析

裝載機作業(yè)時的主要工況有鏟掘工作（包括插入工況、鏟裝工況）、舉升工作和裝卸工況，其中在鏟掘工作時，裝載機工作裝置承載力最高。針對各種材料具有不同的鏟掘方式，以下將重點闡述一些典型的鏟掘方式：（1）一次單獨鏟掘法，首先啟動裝載機后，鏟斗的轉(zhuǎn)斗刃進入物料，直至與鏟斗底板尺寸相同的深度，此時裝載機停止前進，并驅(qū)動轉(zhuǎn)斗油缸，將鏟斗向上翻轉(zhuǎn)至接近水平位置[7]。這個辦法是在施工上最常使用的方法。用此辦法時，進入材料的深度越長，因此鏟斗鏟入的材料也多，而這又要求裝載機用很大的驅(qū)動力來克服作業(yè)摩擦力。而當對裝載材料的鏟斗進行翻轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)斗油缸就需要很大的驅(qū)動力了[8]。（2）分段鏟掘法，當材料較不易被插入時，要首先使鏟斗進入一定深度，然后停止裝載機，同時驅(qū)動舉升油缸，使動臂上升一定高度后，再繼續(xù)啟動裝載機。要使鏟斗完全裝滿就必須不斷的插入和提升，所以機械工作裝置必須完成多次或重復的作業(yè)。（3）配合鏟裝法，啟動裝載機，使鏟斗的斗刃進入目標物料，當達到一定深度時，裝載機前進，同時配合鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動臂的提升力，或僅翻轉(zhuǎn)鏟斗。這個方案必須將裝載機前進的速度與翻轉(zhuǎn)鏟斗或舉升動臂協(xié)調(diào)好，而且要求駕駛員具有較高水平的技能[9]。由于沒有一次單獨鏟掘進入深度過深，故所受作業(yè)阻力相對較小。但不同的鏟掘方式所引起的作業(yè)阻礙也不盡相同，主要包括鏟斗進入物料時的進入摩擦力、轉(zhuǎn)斗時的摩擦力矩和動臂舉升的掘起摩擦力。

3.2工況選擇

當處于鏟掘狀態(tài)下時，由于裝載機所采用的鏟掘方法不同，動臂將會被從不同角度插入到鏟掘物體當中，此時形成的掘起阻力和插入阻力都會產(chǎn)生明顯差異。為更好的了解動臂的應力分布情況，本文討論動臂的三種典型受力情況：（1）動臂的鏟斗部位插入物料以后，需將設備的舉升油缸和轉(zhuǎn)斗油缸均關(guān)閉，此時裝載機的工作裝置承受的是水平作用力。（2）如果動臂的鏟斗已經(jīng)完成物料鏟入環(huán)節(jié)，此時需對轉(zhuǎn)斗油缸進行驅(qū)動，使鏟斗成功翻轉(zhuǎn)，需將舉升油缸關(guān)閉，此時的裝載機工作裝置承受的是垂直作用力。（3）如果在將鏟斗插入到物料之時調(diào)整鏟斗，并使舉升油缸關(guān)閉或者是驅(qū)動舉升油缸，讓動臂處于舉升狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)斗油缸被關(guān)閉以后，工作裝置呈現(xiàn)出垂直承受作用力或者是水平承受作用力的情況。當然，裝載機所鏟掘的材料本身如果是均勻狀態(tài)，則鏟斗承受的應力也處于均勻分布狀態(tài)。

3.3工作裝置機構(gòu)受力分析

裝載機工作裝置是空間靜定系統(tǒng)，但是為了計算方便，將其簡化成平面靜定系統(tǒng)。簡化時，必須作如下假定：各個結(jié)構(gòu)的內(nèi)部材質(zhì)是連續(xù)的、均質(zhì)的各向同性，在自然狀況下認為其內(nèi)部無殘余應力;忽略鉸座作用所形成的增加力矩;忽視鏟斗和動臂橫梁對其他各結(jié)構(gòu)受力與變形的影響：而忽視運動工作過程中，在加速、振動時所產(chǎn)生的增加負荷;假定動臂、搖臂、連桿機構(gòu)的軸在一個平面內(nèi)，而忽視各桿件不在一個平面位置內(nèi)時所產(chǎn)生的力矩。偏載受力工況時，將鏟斗簡化為簡支梁。如圖3所示為輪式裝卸機工作裝置受力分析簡圖。

3.4動臂的有限元分析

目前學術(shù)領域中比較常見的用于構(gòu)建輪式裝載機工作裝置動臂模型的方法有ANSYS，雖然該種方法具備自建模的功能，但所呈現(xiàn)出的模型功能有限。本文選擇構(gòu)建動臂有限元模型，采用了Pro/E這種比較簡單的三維繪圖軟件，雖然功能簡單，但建模思路更加清晰。將該模型構(gòu)建完成以后，繼續(xù)與ANSYS結(jié)合，完成裝載機動臂模型構(gòu)建。

本文借助ANSYS對動臂展開有限元分析，了解動臂的應力情況，主要遵從如下步驟展開分析：（1）單元類型分析。本次借助SOLID95實體單元作為應力分析的主要單元，了解到型號為ZL50G的裝載機動臂選擇的材料為15 Mn，而密度則是7.8×103 kg/m，此時的彈性模量達到了2.07e Pa，而泊松比數(shù)值則是0.30，屈服極限則是343 MPa。（2）網(wǎng)格劃分。目前所形成的網(wǎng)格劃分方式有很多，其中包含了影射網(wǎng)格劃分、自由網(wǎng)格劃分以及混合網(wǎng)格劃分等多種形式。本次研究期間，主要以自由網(wǎng)格劃分為主。（3）在確定動臂類型以后，明確裝載機的具體工況狀態(tài)，設置動臂模型分析方式。例如，在約束條件確定情況下，裝載機中的動臂和舉升油缸、機架等位置均處于鉸連接的狀態(tài)，各個構(gòu)件之間可以相對傳動。此時分析動臂應力情況，需開展多次柱坐標系構(gòu)件。此時為了簡化模型計算，可將舉升油缸、車架以及動臂等鉸接點所有的自由度進行約束。

如圖4所示為經(jīng)過有限元模型分析后的裝載機動臂應力分布情況，從圖中的數(shù)據(jù)可以了解到在特定工況下，動臂的應力分布基本一致，均屬于偏載一側(cè)應力比另外一側(cè)大的情況。

4結(jié)語

總而言之，裝載機是一種廣泛用作于道路鋪筑、煤礦采取、港口建筑等領域施工的鏟裝及施工機具，它主要用于鏟運沙石、土灰、煤炭等散碎的材料，在一定程度上也可以進行輕度鏟挖作業(yè)，如對堅硬土塊、礦砂等材料的鏟取，而在路面施工過程中，裝載機也可用來填挖道路、推運土方，以及填裝瀝青和混凝土等作業(yè)。由于裝載機具備行駛速度快、鏟運效率高、使用范圍廣、易于使用等優(yōu)勢，所以，裝載機在工程機械領域中占有非常重要的地位。本文對輪式裝載機的工作裝置應力展開分析，了解工作裝置受力情況，并以有限元分析方式對工作裝置中的動臂裝置進行討論，了解到工作裝置應力受到的具體影響，方便輪式裝載機工作裝置設計，有效規(guī)避外界因素對工作裝置應力產(chǎn)生干擾。

參考文獻

[1]羅劍.輪式裝載機工作裝置液壓系統(tǒng)的仿真分析[J].國外電子測量技術(shù)，2019（5）：62-64.

[2]楊蓉，林桂娟.輪式裝載機工作裝置仿真設計與強度分析[J].南方農(nóng)機，2020（1）：15-17.

[3]葉盛，黃衛(wèi)東.ZL15輪式裝載機搖臂零件有限元分析[J].福建工程學院學報，2013（6）：538-542.

[4]吳迪，張青哲.挖掘裝載機裝載工作裝置應力分析[J].建筑機械，2019（11）：5.

[5]吳光耀陳書昊，宋哲文.某3 t輪式裝載機液壓系統(tǒng)的優(yōu)化與改進分析[J].建設機械技術(shù)與管理，2019（7）：56-59.

[6]沈勇，王曉明，孟令超.滑移裝載機偏載工況工作裝置強度分析方法研究[J].建筑機械，2020（8）：59-61.

[7]劉榮生.基于Inventor的輪式裝載機動臂強度有限元分析及設計[J].閩西職業(yè)技術(shù)學院學報，2017，19（3）：112-114.

[8]霍亞光，李晨昱，宋緒丁，等.基于拓撲優(yōu)化的裝載機工作裝置結(jié)構(gòu)輕量化設計[J].機械制造，2019（4）：27-31.

[9]劉穎莉.裝載機工作裝置偏載工況動力學分析[J].雞西大學學報，2016（12）：68-69.

Stress Analysis of Working Device of Wheel Loader

SONG Linfeng

（Shandong Mingyu Heavy Industry Machinery Co.，Ltd.，Yantai Shandong 261433）

Abstract：Wheel loader is a kind of heavy machinery and equipment，which is mainly used in the construction of construction projects，and it is the main auxiliary tool for building materials. At present，the widest application range is the reversal six-bar mechanism. Compared with other structures，this structure not only has better automatic flat-laying performance，but also has a large shoveling force and a more compact overall structure. This article analyzes the working device of the wheel loader，and the boom is the main research object，and analyzes the stress distribution of the working device of the boom.

Keywords：wheel loader;boom;working device;stress