挖掘机工作装置的静强度仿真分析.pdf

图3 动臂网格结构图 产生与实际不符的变形，而且会产生很大的应力。所以，A ， c 都固定铰接不符合实际情况。因此，c 点不能完全固定铰 接。 位移边界条件如图4 。 图4 位移边界条件 B X 此外，也有部分学者把动臂、斗杆简化为一个悬臂梁，即 在铰点A 处施加固定约束H 。B ，C ，D 三处施加载荷，实现 载荷的自平衡。但考虑为了消除总刚度矩阵的奇异性，必须 消除动臂模型的刚体位移，可对节点加以约束，且所加约束 刚好消除全部刚体自由位移，故对动臂与平台铰接处的圆柱 孔进行径向、轴向约束，而释放轴向。 对此，有必要对两种位移边界条件进行对比分析，确定 一种更接近实际的边界条件设定方法。因此，设定两种边界 条件如下： 铰点A 处施加圆柱面约束c y lin 幽c a ls u p p o r t ，对圆柱 孔的轴向、径向以及周向均进行约束；在铰点c 处施加位移 约束D is p la c e m e n t ，约束x ，y 方向的位移，释放z 方向； 仅在铰点A 处施加圆柱面c y lin d r j c a ls u p p o r t ，对圆柱 孔的径向以及周向进行约束。 2 3 4 力边界条件 铰销是动臂与斗杆、斗杆与铲斗等部件的连接构件，也 是传递油缸的力给各个部件的基本构件，因此，对铰点处载 荷的施加显得尤为重要。以往对于铰点载荷大多简化为集 中力或等值的面载荷，施加集中载荷会产生很大的集中应 一2 0 0 一 力，而施加等值面载荷无法全面考虑铰孔的应力分布情况。 本文采用余弦加载的方法，忽略销轴与轴孔的间隙，力 的分布函数为： F ( 口) ：萼。( p d )( 7 ) 口 式中卜销孔圆周上一点与原点的连线相对于戈轴的夹 角。口 O ，1 8 0 0 d 一销孔处合力与戈轴的夹角 R 一余弦载荷在销孔处合力 卜一销孔与销轴接触面的长度 r - 一销孔半径 3 仿真结果分析与试验对比 3 1 单工况、不同边界条件下的有限元结果 以正载时动臂受力工况进行分析。两种不同位移边界 条件下的有限元结果分别如图5 和图6 。 嚣j 闽誊 图5边界条件一 图6 边界条件二 从图5 中可以看出，最大等效应力为1 5 3 M P a ，危险区域 发生在耳板与上弯板连接处以及动臂与斗杆连接的前叉支 座处；而从图6 中可以看出，最大等效应力为1 8 9 M P a ，危险区 域发生在动臂根部。比较图5 与图6 可以看出，位移边界条 件的不同，有限元结果差异很大。最大差别在动臂根部，前 者表现为动臂应力最小的区域，后者则为危险区域。而这些 差异从根本上来说是动臂简化为简支梁和悬臂梁的差别。 故需要用试验来验证何种方法更接近实际。 3 2 试验研究 3 2 1 试验器材 D R A 一3 0 A 多通道动静态应变仪，如图7 ，用于采集应 力，应变信号；3 个压力传感器，用于检测油缸压力；3 个位移 传感器，用于检测油缸位移。由于不知道应力方向，所以采 用1 2 0 度三角形三向应变花。 图7D R A 一3 0 A 多通道动静态应变仪 3 2 2 试验方法 将应变花贴于工作装置选定位置，根据位移传感器和压 力传感器的读数将工作装置调整到计算姿态以及调整各个 油缸的压力大小与计算值一致 7 。 3 2 3 测试数据处理与有限元计算的对比分析 测试的是各测点的0 。、1 2 0 。和2 4 0 。的应变，通过以下公 式将应变转换为主应力，再通过第四强度理论将主应力转换 成凡肘括e s 等效应力i8 ：。 旷南。一业字) 2 + 血寻丛+ E ( 占o 。+ 占1 2 0 。+ 占2 4 0 。) 3 ( 1 一) ( 8 ) 盯：芒( 孙一生塑学) ：+ 鱼掣+ 0 r 2 2 而o 。一 了一) - + 产+ E ( 占o 。+ 占l加。+ 占2 4 0 。) 3 ( 1 一弘) ( 9 ) 式中，E 为弹性模量渺为泊松比；占。，s ，2 0 ，占。为0 。、1 2 0 。和 2 4 0 。的应变。 动臂上贴应变花的位置如图8 。 t j_ y 一矿誊暮习曛羹，藕羹J 鱼_ ! 一二翌! j 图8 应变花的位置示意图 由试验得出的动臂上各工况测点处的等效应力值与有 限元计算值对照见表1 。 表l测点等效应力值与有限元计算值比较 从表1 可以看出，测试应力值与仿真应力值一更接近， 而与仿真应力值二相差较大，即边界条件一的设定更接近实 际情况，故应选用边界条件一来对工作装置进行有限元分 析。且从表中看出，测试应力值与仿真应力值一误差较小， 两者基本吻合。误差主要来自模型的简化。此外，挖掘机工 作时铲斗斗齿受力复杂，实际挖掘阻力与理论挖掘阻力砷1 相 差较大也是重要原因。 3 3 多工况有限元分析 由于挖掘机在实际作业时工况众多，所以应选取工作装 置各部件在外载荷作用下的最不利( 受力最大) 工况进行分 析。本文在考虑传统设计和研究方法上，增加一个复合挖掘 工况 ，即铲斗挖掘工况下，铲斗油缸和斗杆油缸同时达到 最大压力值。 工况一：动臂油缸和斗杆油缸作用力臂最大，铲斗位于 发挥最大挖掘力位置，偏载加侧向力： 工况二：经编程计算得出的铲斗挖掘时，斗杆挖掘力和 铲斗挖掘力均充分发挥位置，偏载加侧向力。 两种工况的姿态如图9 和图1 0 。 图9 工况一图1 0 工况二 根据工作装置受力分析中公式求得动臂的各个铰点受 力情况见表2 。 表2 动臂受力情况表 一2 0 1 利用简支梁位移边界条件，两种工况下所得的有限元结 果分别如图ll和图1 2 。 从图1 l中可以看出，工况一中最大应力为2 6 3M P a ，从 图1 2 中可以看出，工况二中最大应力为2 3 9M P a ，最大应力 均出现在前叉支座，即动臂与斗杆连接处。此外，动臂油缸 与动臂连接附近的应力以及耳板与上弯板连接处应力都比 较大，这也解释了该款机型中间支撑以及耳板附近处出现裂 纹的原因。同时，对比图5 和图6 可知，偏载时最大应力比 正载时大的多，所以在进行设计时必须考虑偏载工况。 一一一 一 图1 1 工况一图1 2 工况二 对比图1 1 和图1 2 ，复合工况二中动臂的应力分布与工 况一中基本一致，但前者最大应力要小。但并不能就此断言 在设计或者研究过程中不需要考虑复合工况。 有必要对比复合挖掘工况和传统设计工况下斗杆的受 力情况。因此，引进典型工况三：动臂油缸以及斗杆油缸力 臂最大，斗尖、铲斗与斗杆连接点以及斗杆与动臂连接点三 点共线。铲斗斗杆复合挖掘工况二下斗杆受力状况与典型 工况三下斗杆受力状况见表3 。 表3工况二与工况三下斗杆受力状况 从表3 中可以看出，斗杆在复合工况二中除了E 点受力 较小，其余铰点受力均较工况三中大，而对斗杆进行有限元 分析时，边界条件中E 点作为固定铰接点，故复合工况三中 斗杆受力状况比工况三中受力要恶劣，最大应力必然要大； 且受力方向也随之改变，则应力分布也有差异。所以，要找 到斗杆真实的危险截面就不能忽略复合工况。 综上所述，边界条件对挖掘机工作装置静强度的分析的 结果影响非常大，由试验证明简支梁位移边界条件更符合实 际情况；符合挖掘工况下工作装置受力可能更恶劣，应重点 考虑。通过正确的边界条件设定以及找到受力最恶劣工况， 才能找到更接近真实的危险截面。 4 结论 1 ) 根据工作装置的结构特点和受力情况，在合理简化 工作装置有限元模型的基础上，通过对动臂两种常见边界条 一2 0 2 一 件的设定进行了一定的理论分析和有限元强度分析，并由应 力试验得到简支梁简化边界条件相对正确，为动臂强度分析 提供了重要的理论以及试验依据。 2 ) 通过对比传统设计时典型工况与铲斗、斗杆复合挖 掘工况下工作装置各个部件的受力状况，发现复合挖掘时， 斗杆受力更恶劣，应力较大区域也发生变化。在进行挖掘机 工作装置强度分析时，为了找到更加精确危险截面，应当重 点分析复合挖掘工况。 3 ) 通过A N s Y s 仿真结果与试验数据进行对比，看出仿 真结果与试验数据误差较小，仿真数据可靠，可以用于指导 设计，从而大大缩短设计周期，同时对其它工程机械设计具 有借鉴作用。 参考文献： 1 陈国俊液压挖掘机( 原理、结构、设计、计算) M 武汉：华 中科技大学出版社，2 0 1 1 ：3 8 4 4 5 0 2 浦广益w o r k b e n c h l2 oA N s Y sw o r k b e n c h1 2 基础教程与实 例详解 M 北京：水利水电出版社，2 0 1 3 ：3 0 1 8 0 3 张卫国液压挖掘机工作装置动力学仿真分析及研究 D 太 原：太原理工大学机械电子工程系，2 0 lO 4 周宏兵，王惠科，过新华基于M A 7 I L A B 和A N s Y s 的挖掘机工 作装置结构静强度分析 J 广西大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 9 ，3 4 ( 6 ) ：5 6 5 任友良液压挖掘机工作装置结构性能分析 D 浙江大学机 械工程学系，2 0 lO 6 张明珍，张利，张磊挖掘机工作装置销轴与轴套配合间隙分 析 J 建筑机械，2 0 1 3 ，2 l：8 7 9 1 7 G B T7 5 8 6 2 0 0 8 ，液压挖掘机试验方法 s 2 0 0 8 8 陈进，吴俊，李维波大型液压正铲挖掘机工作装置有限元分 析及应力测试 J 中国工程机械学报，2 0 0 7 ，5 ( 2 ) ：5 6 9 同济大学单斗液压挖掘机( 第二版) M 北京：中国建筑工 业出版社，1 9 8 6 1 0 荣洪均液压挖掘机反铲工作装置整机理论复合挖掘力的计 算模型及其应用研究 D 重庆大学机械工程学院，2 0 0 7 作者简介 苏琦( 1 9 8 7 一) ，男( 汉族) ，湖南新化县人，硕士研 究生，主要研究领域为为机电一体化及工程结构分 析； 赵宏强( 1