裝載機(jī)動(dòng)臂的有限元分析及改進(jìn)

1、收稿日期:2009-12-14作者簡(jiǎn)介:周華祥(1975 ,男,湖北漢川人,講師,碩士。do:i 10.3969/.j issn .1008-8245.2010.05.004裝載機(jī)動(dòng)臂的有限元分析及改進(jìn)周華祥 黃 磊(黃石理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,湖北黃石435003摘 要:動(dòng)臂是裝載機(jī)工作裝置最重要的構(gòu)件,其強(qiáng)度狀況對(duì)工作裝置的性能和壽命有直接的影響。在裝載機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程中,鏟斗經(jīng)常受偏載作用,此時(shí)工作裝置除承受正載外,還承受附加彎矩作用,從而導(dǎo)致鏟斗和動(dòng)臂的變形。在這2種工況下對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行有限元分析,得出動(dòng)臂的應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力分布云圖,提出了改進(jìn)工作裝置結(jié)構(gòu)的措施。關(guān)鍵詞:偏載;動(dòng)臂;有限元

2、中圖分類號(hào):TH 123+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1008-8245(201005-0012-03Fi nite E le m e nt Analysis and Im prove m ent of Loader Boo mZ HOU H uaxiang H U ANG L ei(Schoo l ofM echan i ca l and E l ectron i c Eng i nee ri ng ,Huangsh i Instit ute o f T echno logy ,H uangshiH ube i 435003Abstrac t :The Boo m i s t he m

3、ost i m po rtan t co m ponen t o f t he l oader .T he strength cond iti ons exe rt a direct influence on the life expectancy and the perfor m ance of t he l oadi ng equip m ents .In the prac tica lwo rk o f the loader ,the bucket has been o ften partia.l A t this ti m e the l oading dev ice has to b

4、ear t he add iti onal bend i ng m om ent i n add iti on to t he nor m a l load i ng ,wh i ch resu lts i n the de for m ati on o f the bucke t and the boom.T he fi nite e l em ent ana l y si s has been done under these t wo cond iti ons and the stress concen trati on a rea and stress d istri buti on

5、a rea of the boo m have been obta i ned and m easures have been put fo r w ard to i m prove t he co m ponents of the loader correspond i ng ly .K ey word s :parti a l l oad ;boom ;finite e le m ent0 引言輪式裝載機(jī)屬于鏟土運(yùn)輸機(jī)械類,具有作業(yè)速度快、效率高、機(jī)動(dòng)性能好、操作輕便等優(yōu)點(diǎn),是現(xiàn)代機(jī)械化施工中不可缺少的裝備之一。我國(guó)裝載機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等方面設(shè)計(jì)上存在很多問(wèn)題。以往采取的 類比試湊!設(shè)計(jì)方

6、法在一定程度上存在盲目性,容易形成設(shè)計(jì)中的 人為!應(yīng)力集中點(diǎn),造成機(jī)構(gòu)整體強(qiáng)度的削弱甚至破壞。動(dòng)臂是裝載機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件,是鏟斗和搖臂的主要結(jié)構(gòu)支撐件。采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的有限元方法,對(duì)裝載機(jī)在極限工況下的狀態(tài)進(jìn)行分析,得到工作裝置整體的應(yīng)力及變形分布,為動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)減重和提高使用壽命提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。1 裝載機(jī)動(dòng)臂有限元分析1.1 裝載機(jī)動(dòng)臂有限元概述在裝載機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程中,鏟斗經(jīng)常受偏載作用,此時(shí)工作裝置除承受正載外,還承受附加彎矩作用,從而導(dǎo)致鏟斗和動(dòng)臂的變形。裝載機(jī)裝卸物料的作業(yè)是由水平切入料堆、轉(zhuǎn)斗、提升后退、重載行駛和卸載行駛等5段動(dòng)作完成的。分第26卷 第5期2010年10月 黃 石

7、 理 工 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)J OURNA L O F HUANG S H I INST ITUT E OF TEC HNOLOGYV o.l 26 N o .5O ct . 2010析以上作業(yè)過(guò)程發(fā)現(xiàn):裝載機(jī)在鏟入物料堆及把物料堆舉升到最高處時(shí)有最大的水平和垂直載荷。選取動(dòng)臂所受最大載荷的2種工況進(jìn)行研究,即插入工況和舉升工況。1.2 裝載機(jī)動(dòng)臂有限元建模單元類型:裝載機(jī)動(dòng)臂是由動(dòng)臂板、橫梁、搖臂支耳焊接而成的,選取采用SOLI D 45實(shí)體單元作為分析的單元類型。材料屬性:裝載機(jī)動(dòng)臂由16M n 組成,其中動(dòng)臂上的軸套由Q 235-D 組成。網(wǎng)格劃分:形式為自由劃分,采用三角形形狀劃分,共產(chǎn)生

8、1361個(gè)節(jié)點(diǎn),3664個(gè)單元,精度適中。ZL50裝載機(jī)動(dòng)臂網(wǎng)絡(luò)劃分模型如圖1所示。動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)與前車架鉸接處固定,下鉸點(diǎn)與鏟斗鉸接處可在XY 軸平面內(nèi)擺動(dòng),舉升油缸與動(dòng)臂鉸接處可在XY 平面內(nèi)擺動(dòng),搖臂支耳鉸點(diǎn)在本文分析的2種工況中所受的應(yīng)力過(guò)小,可以忽略不計(jì) 。圖1 裝載機(jī)動(dòng)臂的網(wǎng)絡(luò)劃分模型在工作狀態(tài)下,動(dòng)臂受到鏟斗自重和舉升油缸的聯(lián)合作用。自重為17500kg ,最大牽引力為146kN 。鉛垂方向的荷載即在舉升工況時(shí),由動(dòng)臂所受的物料重力和鏟斗自重的合力形成,合計(jì)6.5t 。水平方向荷載即插入力是由裝載機(jī)插入物料堆時(shí)所受的牽引力和滾動(dòng)阻力的合力,為X 方向。F =F 牽引力-F 滾動(dòng)阻力

9、=141712.5N 。分別對(duì)以下2種工況裝載機(jī)動(dòng)臂的應(yīng)力和變形進(jìn)行了計(jì)算:(1插入工況:動(dòng)臂下放,鏟斗放置于地面,斗尖觸地,斗底板與地面呈35傾角,開(kāi)動(dòng)裝載機(jī),鏟斗借助機(jī)器的牽引力插入料堆。此時(shí)裝載機(jī)動(dòng)臂下鉸點(diǎn)與鏟斗鉸接處有最大插入力。該工況下的有限元分析如圖2、3、4所 示。圖2 動(dòng)臂的合位移圖3 動(dòng)臂的等效應(yīng)力圖圖4 最大等效應(yīng)力部位動(dòng)臂在X 、Y 、Z 方向上的合位移的最大值為9.201mm 。動(dòng)臂的最大等效應(yīng)力為374.934M Pa 。最大等效應(yīng)力部位處于動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)處。(2舉升工況:保持轉(zhuǎn)斗缸長(zhǎng)度不變,操作舉升缸,將動(dòng)臂升至上限位置,準(zhǔn)備卸載。該工況下的有限元分析如圖5、6所示。

10、由圖56可以看出,動(dòng)臂的最大等效應(yīng)力為565.147MP a 。最大等效應(yīng)力部位也處于動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)處。2種工況下動(dòng)臂下鉸點(diǎn)最大變形和應(yīng)力集中部位所受最大應(yīng)力情況如表12所示。第5期 周華祥 黃 磊:裝載機(jī)動(dòng)臂的有限元分析及改進(jìn)13 圖5 動(dòng)臂的等效應(yīng)力圖 圖6 最大等效應(yīng)力部位表1 2種工況下動(dòng)臂下鉸點(diǎn)最大變形單位:mm變形工況動(dòng)臂下鉸點(diǎn)最大變形UX UY UZ USU M插入工況6.5736.6310.6659.201舉升工況8.7688.9521.02212.388表2 2種工況下動(dòng)臂應(yīng)力集中部位所受最大應(yīng)力單位:M Pa應(yīng)力工況 X方向最大應(yīng)力Y方向最大應(yīng)力Z方向最大應(yīng)力XY方向最大剪應(yīng)

11、力YZ方向最大剪應(yīng)力XZ方向最大剪應(yīng)力最大等效應(yīng)力插入工況550.964246.557233.377121.86751.48661.043374.934舉升工況829.091366.37349.079182.84775.95691.62565.147由以上分析可知:裝載機(jī)在舉升工況時(shí)動(dòng)臂所受應(yīng)力最大,且有應(yīng)力集中現(xiàn)象。裝載機(jī)動(dòng)臂的材料和形狀,能夠滿足其工作時(shí)的強(qiáng)度。由應(yīng)力云圖可知,動(dòng)臂的最大變形為12.388mm,變形較小,材料的剛度足夠。可見(jiàn)該動(dòng)臂滿足各種工況下的工作要求。2 裝載機(jī)動(dòng)臂有限元改進(jìn)措施從應(yīng)力圖中可以看出動(dòng)臂的主要應(yīng)力集中部位是動(dòng)臂上鉸點(diǎn)與前車架鉸接處,因此我們需要在這些地方采

12、取措施減少應(yīng)力,提高它的使用壽命和安全性。消除或減少應(yīng)力的具體方法有:(1熱處理:去應(yīng)力退火又稱低溫退火(或高溫回火,這種退火主要用來(lái)消除鑄件、鍛件、焊接件、熱軋件、冷拉件等的殘余應(yīng)力。如果這些應(yīng)力不予消除,將會(huì)引起鋼件在一段時(shí)間以后,或在隨后的加工過(guò)程中產(chǎn)生變形或裂紋。(2可以在有應(yīng)力集中的地方加肋板,這樣可以防止因應(yīng)力集中而造成的疲勞斷裂,從而提高動(dòng)臂的使用壽命和安全性。(3可以在應(yīng)力集中的地方設(shè)計(jì)卸荷槽、倒角等等。(4針對(duì)有應(yīng)力集中的地方在設(shè)計(jì)時(shí),可以再次設(shè)計(jì)為圓角,盡量以圓弧過(guò)渡,這樣就可以消除一部分的應(yīng)力集中現(xiàn)象。(5改進(jìn)設(shè)計(jì)加工工藝技術(shù)。如采取控制加工溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間、金屬

13、嵌件的預(yù)熱和冷卻時(shí)間等等消除應(yīng)力的措施。在保證原有的工作可靠性和安全性的基礎(chǔ)上,降低生產(chǎn)成本。采取Q235代替16M n鋼、適當(dāng)加寬動(dòng)臂板寬度(寬度增加5mm、在應(yīng)力較大的部位加寬動(dòng)臂板橫截面積等方法,增強(qiáng)其安全系數(shù)。在應(yīng)力集中的地方,加上16M n鋼做的鋼套。這樣改進(jìn)之后,再用軟件對(duì)其進(jìn)行靜力分析,二次改進(jìn)后,動(dòng)臂在舉升工況下的等效應(yīng)力圖如圖7所示,圖8為動(dòng)臂的合位移。最大集中應(yīng)力為363.254M Pa,動(dòng)臂的最大變形為8.952mm,較之未改進(jìn)之前最大集中應(yīng)力和最大變形都有了明顯的改觀。(下轉(zhuǎn)第17頁(yè)14 黃 石 理 工 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 2010年(3進(jìn)行分析測(cè)量。以太陽(yáng)輪2作為研究對(duì)象

14、,分析其運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度與時(shí)間的關(guān)系。得到的運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果如圖12、13所 示。 圖12 分析定義 圖13 測(cè)量結(jié)果4 結(jié)論本文介紹了利用Pro /E 建立2K -H 型周轉(zhuǎn)輪系機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型,并進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)仿真,以便及早發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤,從而減少了物理樣品試制過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題,縮短了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。其結(jié)果形象直觀,仿真效果良好,為機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種方便、實(shí)用的分析方法。這樣不僅使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和可靠性明顯提高,也為企業(yè)產(chǎn)品的早日推出爭(zhēng)取了時(shí)間4。參考文獻(xiàn)1 王吉奎,陳志剛.基于P ro /E 及A DAM S 的反鏟式挖掘機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)的建模與運(yùn)動(dòng)仿真J.現(xiàn)代制造工程

15、,2006(5:135-1362 盧存光,段欽華.2K -H 型行星輪系的功率流、效率與自鎖J.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2007(4:39-403 黃愛(ài)文,盧炎麟.基于P ro /E 的反鏟式挖掘機(jī)工作裝置的建模與運(yùn)動(dòng)仿真J.煤礦機(jī)械,2008(9:52-534 邢亮,沈豫鄂.PRO E 運(yùn)動(dòng)仿真中單向勻速電機(jī)實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的方式及分析J.艦船電子工程,2009(9:193-197(責(zé)任編輯 梅軍進(jìn)(上接第14頁(yè) 圖7 動(dòng)臂的等效應(yīng)力 圖圖8 動(dòng)臂的合位移3 結(jié)束語(yǔ)本文分別對(duì)插入和舉升2種工況下裝載機(jī)動(dòng)臂的應(yīng)力和變形進(jìn)行了計(jì)算,得出動(dòng)臂的應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力分布云圖,并提出了改進(jìn)工作裝置結(jié)構(gòu)的措施。參考文獻(xiàn)1 劉濤,楊鳳鵬.精通ANS