挖裝機(jī)大臂座動力學(xué)分析和疲勞壽命預(yù)測

李毅華 朱榮海 張玉寬

摘要：針對挖裝機(jī)工作裝置使用壽命難以預(yù)測的問題，采用多體動力學(xué)仿真的方法，在ADAMS中建立了挖裝機(jī)工作裝置虛擬樣機(jī)，進(jìn)行動力學(xué)仿真，得到了挖裝機(jī)零部件在工作過程中的受力變化曲線。利用零部件受力曲線合成載荷譜，并以此載荷譜對挖裝機(jī)大臂座進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。結(jié)果顯示，大臂座疲勞壽命滿足使用要求，仿真結(jié)果可以為挖裝機(jī)工作裝置的設(shè)計提供依據(jù)和參考。

Abstract： Aiming at the problem that the service life of the working device of the excavator is difficult to predict， a virtual prototype of the working device of the excavator is established in ADAMS by using the method of multi-body dynamics simulation， and the dynamic simulation is carried out to obtain the stress variation curve of the parts of the excavator during the working process.The fatigue life of the excavator boom is predicted by the load spectrum which is synthesized by the force curve of the components. The results show that the fatigue life of the big arm seat meets the service requirements， and the simulation results can provide a basis and reference for the design of the excavator's working device.

關(guān)鍵詞：挖裝機(jī);多體動力學(xué)仿真;疲勞壽命預(yù)測

Key words： excavating machine;multi-body dynamics simulation;fatigue life prediction

中圖分類號：F416.42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0064-03

0? 引言

隨著社會生活節(jié)奏的加快，能源的需求愈加劇烈。挖裝機(jī)作為煤礦開采的主要機(jī)械之一，其重要性不言而喻。研究挖裝機(jī)工作裝置的作業(yè)過程和關(guān)鍵受力零部件的使用壽命具有重要的意義，對挖裝機(jī)的優(yōu)化設(shè)計和進(jìn)一步開發(fā)都十分重要[1][2]。筆者根據(jù)ZWY-180L型挖裝機(jī)的實際二維圖紙建立挖裝機(jī)工作裝置三維模型，導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行動力學(xué)分析，對挖裝機(jī)作業(yè)過程進(jìn)行仿真[3]，得到關(guān)鍵受力部件大臂座各鉸接點的受力曲線，并以此對大臂座進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。

1? 虛擬樣機(jī)的建立

1.1 三維模型的建立? ?挖裝機(jī)的工作裝置主要由扒斗、小臂、大臂、大臂座、龍門架以及驅(qū)動油缸組成[4]，如下圖1所示。駕駛員控制油缸進(jìn)行配合運(yùn)動即可完成各種復(fù)合扒挖物料的動作。筆者根據(jù)ZWY-180L型挖裝機(jī)實際的二維圖紙，利用solidworks對挖裝機(jī)的工作裝置進(jìn)行三維建模，實體模型如圖2所示。

1.2 挖裝機(jī)工作裝置動力學(xué)仿真? 將建立好的三模模型導(dǎo)入ADAMS，添加合理連接副、驅(qū)動副與驅(qū)動函數(shù)?，F(xiàn)實生活中，挖裝機(jī)扒斗在工作過程中主要受到挖掘阻力和物料重力，為了提高挖裝機(jī)工作效率，挖裝機(jī)主要采用復(fù)合動作進(jìn)行扒挖物料。為了減少不必要的仿真試驗，論文筆者只對挖裝機(jī)正面扒挖物料的工況進(jìn)行仿真，其他工況受力情況類似。各油缸驅(qū)動函數(shù)如表1所示，工作裝置虛擬樣機(jī)如圖3所示。

根據(jù)挖掘阻力經(jīng)驗公式（1）計算挖裝機(jī)扒挖物料時的所受的挖掘阻力[5]-[6]。

式中：？滓w為土壤挖掘比阻力;bh為扒斗的切削寬度，即挖斗寬度;h為切削層的厚度;？漬為挖掘的阻力系數(shù)。其中？滓w=47N/cm2;切削寬度bh二維圖紙可得bh=30cm;切削層厚度h=（0.1～0.33）bh，由于扒礦時扒斗深入礦層的厚度不大，取h=0.2bh=6cm;？漬=42%。代入公式可得：

切向阻力：Ft=？滓wbhh=8460N;

法向阻力：Fn=？漬Ft=3553.2N。

物料重力公式：G=V？籽g

V—斗容;？籽—物料密度;g—重力加速度。？籽=1.8×10kg/m3，V=0.15m3。代入公式可得：G=V？籽g=17200N。

將上述計算結(jié)果以函數(shù)的形式添加到挖斗斗齒和鏟斗質(zhì)心上，進(jìn)行工作裝置作業(yè)過程動力學(xué)仿真，函數(shù)如表2所示。

2? 疲勞壽命分析

大臂座作為挖裝機(jī)工作裝置中主要受力部件，起著連接大臂和龍門架的作用，其使用壽命的長短至關(guān)重要。

2.1 大臂座載荷譜

在大臂座各鉸接點進(jìn)行測量，可以獲得大臂座各鉸接點受力曲線，大臂座結(jié)構(gòu)如圖4所示，由于動力學(xué)仿真只分析正面扒挖物料的工況（其他工況類似），所以鉸接點3不受力，鉸接點4、5靜力學(xué)分析時固定支撐不用考慮，只分析鉸接點1、2受力，受力曲線如圖5所示。

2.2 疲勞壽命預(yù)測和結(jié)果分析

依據(jù)上述載荷譜和模型使用ANSYS nCode DesignLife進(jìn)行壽命計算。由于大臂座主要失效形式為疲勞斷裂，故使用線性疲勞累積損傷理論進(jìn)行計算應(yīng)力疲勞壽命。首先使用ANSYS Workbench進(jìn)行靜力學(xué)分析，然后將有限元分析結(jié)果導(dǎo)入nCode SN TimeSeries（DesignLife）進(jìn)行應(yīng)力疲勞壽命分析，壽命評估系統(tǒng)如圖6所示，壽命云圖如圖7所示，疲勞計算結(jié)果部分如表3所示。

由圖7可知大臂座鉸接孔焊接處壽命最小，由表3可知大臂座最小循環(huán)次數(shù)為2.342e+07次，按照一天工作8小時，一年工作365天計算，大臂座可工作24.5年，完全滿足使用要求。

3? 結(jié)語

通過對挖裝機(jī)工作裝置的動力學(xué)分析和疲勞壽命計算，得到了挖裝機(jī)大臂座的受力曲線和疲勞壽命，從仿真結(jié)果和疲勞壽命計算結(jié)果可以看出，大臂座結(jié)構(gòu)合理，疲勞壽命滿足使用要求，仿真結(jié)果也可以為挖裝機(jī)工作裝置的設(shè)計提供依據(jù)和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉恩民，程洪飛，李剛，張印東.挖裝機(jī)在三軟煤層掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2020，39（07）：155-156.

[2]何洋，周松雨，覃創(chuàng)業(yè).基于ANSYS/Workbench挖裝機(jī)工作機(jī)構(gòu)模態(tài)分析[J].煤礦機(jī)械，2019，40（01）：172-174.

[3]王鵬飛，張靜，刁修慧.基于ADAMS的挖掘機(jī)鏟斗機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2016，37（01）：175-177.

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