（机械工程专业论文）矿用10m3挖掘机工作装置的有限元分析.pdf

摘要 摘要 本文针对矿用l om 3 挖掘机斗杆在使用中经常发生断裂失效的现象，借助于 p r o e 三维建模技术，构建了符合实际的斗杆模型，应用a n s y s 有限元软件，就 挖掘过程中的几种典型工作位置建立了三维有限元模型，并对斗杆的静强度进行 了详细的比较和分析，明确了高应力区主要集中在变断面与外腹板结合处以及连 接横梁与内腹板后部结合处，校核结果与实际基本吻合。 其次对堵转状态下斗杆受到冲击力和惯性力的影响，进行了瞬态动力学分 析，全面了解和分析了斗杆的动态特性，并重点分析了易断裂部位的动态特征。 据此提出了在变断面处补加一筋板的优化措施，对加筋板前后的斗杆进行了 模态分析和计算，并讨论了两种情况对斗杆振型与频率的影响，证实了与原设计 斗杆相比加筋板后可明显降低斗杆的静应力水平，大大改善斗杆的受力情况，有 利于提高斗杆的强度。 关键词：斗杆；有限元；裂纹；优化 北京丁业大学t 程硕十学伊论文 a b s tr a c t f r a c t u r i n gf a i l u r ei so f t e no b s e r v e di nt h ed i p p e rs t i c ko f10c u b i cm e t e rm i n i n g e x c a v a t o r i no r d e rt oi m p r o v et h ed e s i g na n dt op r o m o t et h er e l i a b i l i t yo ft h e e x c a v a t o ri no p e r a t i o n ，v e r yd e t a i l e ds t r e s sa n a l y s i si sn e c e s s a r y i nt h i sp a p e r ，t h ed i p p e rs t i c ko ft h ee x c a v a t o rw a sm o d e l e db yp r o e3 d m o d e l i n gt e c h n o l o g yf i r s t l y t h e ni t sf i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sb u i l ta n dt h es t a t i c s t r e s sw a sa n a l y z e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h er e s u l t si n d i c a t et h a th i g hs t r e s s a r e a sa r em a i n l yc o n c e n t r a t e da tt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nv a r i a b l es e c t i o no fl o w e r c o v e rp l a t ea n do u t s i d ew e bo ft h ed i p p e rs t i c ka n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nc r o s s b e a ma n dr e a rp a r to fi n s i d ew e b t h i ss t r e s sd i s t r i b u t i o na g r e e sw e l lw i t ht h ea c t u a l f r a c t u r i n gp a r e mi nt h ee x c a v a t o l o nt h eo t h e rh a n d ，e f f e c to ft h ei m p a c tf o r c ea n dt h ei n e r t i a lf o r c ei n d u c e dd u r i n g t h er o t a t i n gi sm o p p e do nt h ed i p p e rs t i c ka r ea n a l y z e db yt r a n s i e n tf i n i t ee l e m e n t m e t h o d t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i p p e rs t i c k ，e s p e c i a l l yt h ep a r tt h a ti s e a s yt ob r e a k , h a v eb e e na n a l y z e dd i s c u s s e di nd e t a i l b a s e do nt h ed a t ao b t a i n e df r o mf i n i t ee l e m e n ta n a l y s e s ，a d d i n gab r a c ep l a t ea t t h ev a r i a b l es e c t i o na r e ai ss u g g e s t e dt oo p t i m i z et h ed i p p e rs t i c ks t r u c t u r e t h e r e s u l t ss h o wt h a ts t a t i cs t r e s sl e v e li so b v i o u sr e d u c e da n dg r e a ti m p r o v e m e n tw a s a c h i e y e dt os t r e n g t ho ft h ed i p p e rs t i c k k e y w o r d s ：d i p p e rs t i c k ；f i n i t ee l e m e n t ；f r a c t u r e ；o p t i m i z a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 掣夕 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：籀i 重扛导师签名： 醐：珥掣 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 白云鄂博铁矿的生产工艺和特点 自云鄂博铁矿是一座具有的四十年开采历史的老矿，始建于1 9 5 6 年，1 9 5 7 年建成投产，位于内蒙古中部的乌兰察布草原上，是包钢的主要原料铁矿石的生 产基地，是举世闻名的稀土之乡。稀土、铌与铁共生，多种物质成份共存，形成 了白云鄂博铁矿独特的矿床类型，有“世界稀土宝库之美喻，白云鄂博铁矿， 东西长1 6 公里，南北宽3 公里，面积4 8 平方公里。从西向东分为西矿、主矿、 东矿、东介格勒和东部接触带五个矿段。白云鄂博铁矿有着得天独厚的资源优势， 除了铁矿石外还具有多种稀土矿石，现已发现1 7 5 种矿物，7 1 种元素，其中具 有或可能具有综合利用价值的元素有2 6 种。已探明铁矿石储量1 4 亿t ，含铁 平均品位3 4 。近些年，随着国民经济的飞速发展，市场对铁矿石的需求量也在 不断增加，在原有富矿资源日益减少，矿石品位相对降低的今天，过去许多品位 较低，尚未开发的矿藏相继开发，由于露天矿开采前期投入少，建设速度快，易 于实现自动化开采、生产安全、回采率高经济效益好等明显的优势，为此白云鄂 博铁矿恢复并加快了西矿资源的利用开发，生产规模正在逐年扩大，现已发展成 为年产矿石1 2 0 0 万吨规模的现代化大型露天矿山【。 目前国内外大型露天矿的开采工艺，主要有间断式、连续式、和半连续式三 种。间断式历史较久，技术发展成熟，它主要应用的设备有钻孔机械、单斗挖掘 机、矿用自卸汽车或机车运输，其特点是装载和运输都是间断式作业。连续式开 采用于煤矿，主要设备为斗轮挖掘机、皮带运输机、转载机和排土机。半连续式 开采应用于深凹露天矿山，其特点是挖掘装载工作是间断的，而后部运输是连续 作业，其主要设备有单斗挖掘机、汽车、破碎机组、胶带运输机和排土机等【2 j 。 目前白云铁矿开采工艺在传统的间断式开采基础上，进一步挖掘老矿潜力， 争取最佳的经济效益，结合国内较为先进的半连续式开采经验，形成了两种组合 式的开采格局，即主、东矿均采用采场内汽车，采场外铁路联合开拓运输方式， 矿石用汽车运至采场外矿石转载台，由挖掘机装入6 0 t 翻斗车，经8 0 t 或1 5 0 t 电机车牵引运往破碎；主矿岩石由汽车运至采场外岩石转载台或振动放矿，装入 6 0 t 翻斗车，经8 0 t 或1 5 0 t 电机车牵引运往铁路排土场排弃；东矿岩石由汽车 直接。 运至汽车排土场排弃。目前白云鄂博主、东采场都分别进入深部及深深部开 采，东矿正在进行深深部改造工程，随着采深、运距的加大，正逐步转向半连续 式开采，现已实现岩石在采场内破碎，经胶带运至地表，由排土机排弃。构成半 连续工艺系统的生产环节往往很多，对于常用较简单的半连续系统，至少有五个 环节：采装环节、间断运输环节、连续运输环节、间断和连续运输的破碎转载环 北京_ t 业大学t 稗硕十学位论文 节及排卸环节。比如白云鄂博铁矿东矿改造项目的半连续开采系统就是由单斗挖 掘机、卡车、破碎机、胶带运输机及储矿仓组成的半连续系统。主要生产工艺流 程为k y 2 5 0 ，- - - 3 1 0 m m 牙轮钻机穿孔，装要车装药预裂控制爆破，破碎后矿石依靠 挖掘机与矿用汽车联合作业，运抵半固定式破碎站，采用喂给式破碎，经长距离 运输机分别运输至储矿仓或排土场，其中采装工艺的依靠主要设备为4 - - 1 0 m 3 挖 掘机铲装，配合7 0 吨以上级的矿用汽车、3 2 0 马力以上的推土机等先进采矿设 备进行，目前全矿拥有数十台挖掘机，5 0 多台运矿汽车，均为国内许多厂家所 生产，设备已呈系列化，设备的大型化和国产化是该矿的一个鲜明的特色，其中 由太原重型机械有限公司生产的w k - 1 0 b 挖掘机1 3 台，为该矿的主采设备，其效 率为2 8 卜3 0 0 万t 台年。为了达到1 2 0 0 万吨铁矿石的生产计划，2 0 0 6 年包钢 又花重金购买了北方股份与特雷克斯尤尼特瑞格公司合作生产的3 台载重1 7 2 吨 的m t 3 6 0 0 型电驱动矿用汽车。使汽车配置与挖掘机斗容匹配更趋合理，生产能 力显著提高。 1 2 国内外挖掘机的发展现状 1 2 1 国外挖掘机的发展概况 与其它大型矿山采掘设备一样，挖掘机由于技术含量高、投资大、生产周期 长、订单少、利润大等原因，目前仅有几家大型的国际公司有能力参与市场竞争， 并形成垄断局面，如美国的p & h 公司、卡特彼勒、日本的日立、德国的利布赫 尔等【3 】。国外挖掘机的发展以美国最快，不论从斗容量、品种、产量、技术水平、 可靠性等，皆居领先地位。在美国，马里昂公司被b - e 公司兼并形成了与p h 公司并驾齐驱的两大生产矿用挖掘机的厂商，两个公司即相互竞争，又相互渗透， 技术互补，共同发展。p & h 在满足可靠性要求的基础上，设计改进了行走高驱动 装置、电气控制的保护系统及智能系统，平台、走台等，结构布置简洁明快。在 参数性能上扩大了2 3 0 0 x p b 、2 8 0 0 x p b 、4 1 0 0 矿用挖掘机的参数，斗容量范围 增大了一个档次。随着计算机辅助设计和高强度复杂构件应力分析水平的不断发 展，使得大型挖掘机设计不断改进和发展，结构更加合理、优化，工作效率更高， 如b e 公司采用圆截面免扭斗杆，钢丝绳推压使斗杆不承受扭力和减少冲击载 荷，另还有采用不免扭矩形截面单斗杆、齿条推压，取消了铲斗与斗杆的连接 装置，斗杆前端与斗后壁连为一体，取消了铲斗提梁，并尽可能地减轻这部分构 件的重量，提高提升力的有效利用以便增大斗容。在电控系统上b - e 公司采用交 流变频技术，优于p h 公司直流控制系统，市场竞争力强。 俄罗斯4m 3 矿用挖掘机由3kr 一4 6 上升到3kr - 5 a 、3kr - 5 b ，参数 性能提高了，行走传动由底架梁中穿轴圆柱齿轮传动改为一边集中传动，电机的 过载倍数略有增加，但电控仍然落后于美国的可控硅直流控制系统。斗臂、斗子 第1 荦绪t 都进行了相应的改进，1 0 - 1 4m 3 等级矿用挖掘机有3kr 一1 2 、3kr 一1 2 b 等， 从制动器、电控、轴承、结构来看，不如美国p h 公司相应机型的矿用挖掘机。 俄罗斯矿用挖掘机和吊斗铲的设计、生产、品种优于其它国家，但先进性和机重 比落后与美国各大公司。 综上所述，挖掘机的发展趋势大致可归纳为：( 1 ) 大型化，目前矿用挖掘 机斗容为1 0 - 3 0m 3 ，最大斗容4 2m 3 ，大型矿用挖掘机斗容大，生产效率高，生 产成本下降，配合大型矿用汽车经济效益会更好，可以充分发挥汽车能力，减少 等装时间。增加阶面高度，对穿孔爆破有利。( 2 ) 自动化：在日益大型化的同时， 高新技术得以广泛应用；如g p s 挖掘机定位系统，交、直流驱动系统，先进的电 子监控系统，实用的装载量检测系统，产品性能大幅度提升。( 3 ) 系列化，产品 规格齐全，各种中小型单斗挖掘机还附有多达十几种可换的反铲、正铲、抓斗、 起重等装置，矿用型主要有正、反铲装置。 1 2 。2 国内挖掘机的发展概况 我国生产挖掘机的历史比较晚，1 9 5 4 年首次试制成功铲斗量0 5 m 3 和1 m 3 的机械式传动正铲挖掘机，现有十余个厂家生产0 3 - 1 6 m 3 的单斗挖掘机，其中 l m 3 以下主要用于土建工程，1 - 4 m 3 挖掘机主要用于中小型露天矿开采，4 秆以上 用于大型露天矿开采，我国矿用单斗挖掘机主要有w k 一2 型、w 4 型、w k - 4 型、 w k - 1 0 型、w d - 1 2 0 0 型以及与美国p h 公司合作生产大型矿用挖掘机p h 2 3 0 0 x p 、 p h 2 8 0 0 x p 型等，除此之外还有用于露天煤矿的理论能力为7 0 0 m 3 h 、1 5 0 0 m 3 h 和2 2 0 0 、3 1 0 0 、3 6 0 0 m 3 h 的中型斗轮挖掘机，其中1 9 、2 5 2 m 3 矿用挖掘机和中 型斗轮挖掘机均为中外合作制造产品。我国有挖掘机制造厂2 0 多个，生产有 ，3 0 多个品种的各类挖掘机，其中矿用挖掘机以太原重型机械最为先进，在自主 研发的w k - 1 0 及改进型w k - i o b 的基础上，经过2 0 多年引进消化吸收和再创新， 太重积累了丰富的大型矿用挖掘机生产技术和经验。2 0 0 6 年3 月，研制开发了 我国首台具有完全自主知识产权的2 0 立方米挖掘机，并在神华准格尔能源有限 公司正式投入使用。随后，太重相继开发出适于煤矿开采的k w 一2 7 、k w - 3 5 等机 型，真正结束了我国2 0 0 0 万吨以上露天矿用挖掘机长期被国外垄断的历史。 纵观矿用挖掘机产品从发展到成熟的过程，一般分为几个阶段，即试制、 稳定改进、可靠性提高、性能改进。由于美国生产挖掘机历史悠久，基础工业 的实力雄厚，技术和性能一直遥遥领先，目前已处于性能改进阶段，相比之下 俄罗斯性能提高比较小，我国仍处于可靠性提高阶段，要想真正进入性能改进 阶段还需做大量的工作【4 】。 北京工业大学工程硕l 上学位论文 1 3 本课题研究内容和方法 1 。3 。1 问题的提出和研究的意义 w k - i o b 挖掘机是白云鄂博铁矿进行剥离岩土和采装经爆破的矿岩的主要的 设备之一，该设备状况的好坏直接关系着矿山的生产和效益，面对实际生产中恶 劣的工况，工作装置尤其斗杆是主要易损部件，如白云鄂博铁矿的十几台都曾出 现过断裂现象，有的甚至达两三次。事实上由于现场技术条件所限，修复率极低， 有些甚至严重裂缝断裂而报废，不仅影响了矿山正常生产，而且由于斗杆的造价 高，每个斗杆平均在2 6 - - - , 2 8 万元左右，给企业造成经济损失也是极大的。鉴于 这种情况，本文力图通过现代设计方法和理论指导，借助计算机辅助设计和分析 的先进手段，在三维建模的基础上，应用有限元分析方法对斗杆的受力作静强度 和动应力的分析比较，对各种不利工况下斗杆的受力进行分析，找出斗杆断裂的 部位和裂纹扩展的成因，在此基础上，用优化方法提出指导性意见，并提出适当 的改进措施，对现场解决实际问题具有切实的指导意义。同时也可以为设计部门 提高结构件的可靠性和疲劳寿命估算，进一步优化斗杆结构提供参考。 1 3 2 本论文的研究内容和方法 长期以来我国对挖掘机的设计一直沿用传统的设计方法，即利用经验公式首 先作出一系列的可行方案，然后从这些方案中选出比较好的进行样机试验和调 整，直至投入生产。这种方法不仅工作量大、设计周期长、设计质量低精度差， 得出的方案往往不是最优【5 】，2 0 世纪7 0 年代以后世界上一些主要挖掘机厂商和 研究人员已经逐步将优化设计、有限元、c a d 等现代设计理论和方法应用于挖掘 机及工作装置的开发和实际产品的设计中，缩短了产品的研发周期，大大加快产 品更新和换代，我国的挖掘机行业在与国际企业合作和和引进技术的同时，也在 积极地吸收和借鉴先进设计方法，并对现有的挖掘机进行改进，以提高产品的核 心竞争力和质量。虽然我国机械式电铲挖掘机近年来有了长逐的进步，但产品质 量和技术水平与发达国家相比还是比较落后的。这不仅反映在材料和工艺水平 上，而且还反映在设计水平上，在大型矿用挖掘机方面差距主要表现为铲斗容量 仍然较小，可靠性及等待时间长等，在结构的合理性和可靠性方面仍有待完善和 提高。 造成挖掘机在采掘过程中斗杆出现裂纹和断裂现象频频发生，直接与挖掘力 的影响因素有关，初步考虑造成斗杆裂纹的因素主要有以下几个原因： ( 1 ) 现场作业环境恶劣，受作业对象( 矿、岩) 的粒度、密度等多种因素的 影响，受力工况较复杂。 ( 2 ) 挖掘过程中，斗杆不仅受到交变的拉压作用，而且经常反复受到强烈的 振动冲击和撞击等动载荷的作用，尤其是挖掘时发生偏滑而作用于斗柄的力，对 第1 苹绪论 斗柄产生一个扭转作用，这一附加扭矩所产生的应力与其它应力相叠加，对矩形 双梁结构的斗杆是非常不利的。 ( 3 ) 同时随着挖掘姿态的不同，挖掘力的大小和方向都在不断地变化，因而 实际的挖掘力不确定。 本课题是以白云鄂博铁矿的主采设备v k 一1 0 b 挖掘机的主要易损部件斗杆为 研究对象，以原设计方案和矿山收集的相关资料数据为依据，分析斗杆受力、变 形和失效断裂的原因，以便使斗杆的结构更趋合理，分别作了以下的探讨和研究： ( 1 )选择合理的姿态建立主要构件斗杆的基于特征的三维参数化模型： ( 2 )将模型导入a n s y s 分析软件，建立简化而符合实际的有限元模型， 确定符合实际的模型单元和求解方法： ( 3 )进行了典型工况下斗杆的静态有限元分析计算，并对危险受力区域 的结果进行了分析比较； ( 4 ) 针对不同的载荷工况，利用a n s y s 有限元分析软件中的动态分析模 块对斗杆的动态特性进行模态分析和堵转时的瞬态分析： ( 5 )提出斗杆结构的改进方案，使危险截面处应力降低，提高斗杆的强 度。具体采用当今流行的三维实体建模软件p r o e 构建参数化斗杆模型，合理而 准确地建立了斗杆模型，导入a n s y s 后，经过处理，确定单元，划分网格，经 求解，最后得到相应的有价值的结果。建模和求解的工作流程如图1 1 。 图1 1 有限元分析的工作流程 f i g 1 1f l o wc h a r to ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 第2 章w k 一10 b 挖掘机的工作原理及主要结构 21w k - 1 0 b 挖掘机的构造及特点 w k 一1 0 b 是露天矿剥离岩土和采装经爆破的矿岩的一种主要设备，属于单斗 正铲挖掘机1 6 l 。它工作的特点是对停机面以上的工作面进行挖掘或铲装，如图2 - 1 图片所示。工作过程基本包括四个阶段，即挖掘、满斗回转至卸载点、卸载和空 斗回转至挖掘位置，由此构成一个工作循环。在作业过程中，挖掘机是不移动的， 直到将一次停机范围内的岩石挖完，挖掘机才移动到新的作业地点。 霹溪鬻 图2 - 1w k 一1 0 b 挖掘工作现场 f i g2 - 1w o r k i n gs i t e o f t h e w k - 1 0 bd i g g e r 该机主要由工作装置，回转平台及支承装置，底架。履带行走机构动力装 置等组成。下面分别介绍工作装置、回转装置和运动装置的主要构造。 21 1 工作装置 w k 一1 0 b 挖掘机属单粱动臂双斗杆式工作装置，包括铲斗、斗杆、起重臂、 推压机构、提升机构、开斗机构、三角架及绷绳装置。各部分结构特点如下： ( 1 )铲斗由斗齿、均衡轮提粱、斗前臂、斗后臂、斗底装置所组成， 斗齿与斗前臂是用两种楔铁嵌入组成的可拆式连接，斗前壁用高锰钢铸造，斗后 壁用3 5 号钢铸造斗底板由整体高锰钢铸造。前壁上装有斗齿，后壁下部用销 轴与斗杆前端相连，上部通过连杆与斗杆相连。为了减少斗底板摆动撞击，采 用闸带式阻尼装置。斗底的开启是由安装在小平台上的专用卷扬装置牵引开斗钢 绳实现的。斗底的关闭是靠颤抖和扶柄快速下放时闩杆的自重及斗底的摆动实现 第2 章w k - 1 0 b 挖掘机的工作原理及主要结构 的。 ( 2 )斗杆：采用变截面双梁箱型结构，由低合金高强度钢板1 5 m n v 焊接 而成，齿条采用调质合金钢铸造成型。在斗杆底部焊有推压齿条与推压轴上的推 压齿条相啮合。扶柄套作为斗杆伸缩运动的导向机构，斗杆既可以做强制的推压 运动和退回运动，又可以借助提升钢绳作回转运动。 ( 3 )动臂：动臂为挺杆式大跨度根脚，凹鼓形座窝。两根脚用短拉焊通 过具有一定弹性的硬橡胶垫固定在转台前梁上。动臂下两侧有拉杆，使其增加稳 定性。在动臂上装有变幅用的滑轮组，利用缠绕到提升卷筒钢丝绳，并通过a 形 架和滑轮组来调节动臂的倾角。工作角通常为4 5 。，只有在改变工作尺寸时改 变其工作角。动臂中部有小平台，供安装推压驱动机构用。在动臂中部还装有扶 柄套和推压轴，在推压轴上装有推压齿轮，通过驱动系统带动推压轴旋转。 ( 4 )推压机构：推压机构的作用是在挖掘机铲装矿石或土壤时，以强力 推压铲斗，使斗齿切入岩堆或土壤，因此是负重荷的工作机构。 ( 5 ) 开斗机构：开斗卷筒是由开斗电机通过一级开式传动，开斗钢丝绳 通过鞍座、斗杆上两个导向滑轮以及开斗杠杆上的滑轮用楔铁固定在斗底板上。 ( 6 )钢丝绳的缠绕方式：w k - 1 0 b 挖掘机采用滑轮组式的绳系，即铲斗升 降以及动臂的悬挂和升降都是依靠钢丝绳实现的。 ( 7 )提升机构：铲斗的提升和下降由提升机构正反转来实现的。铲斗提 升机构的制动装置是利用压气控制的闸带式制动器。 2 1 2 回转装置 w k - 1 0 b 挖掘机的回转机构是用来使回转平台回转的机构。由上回转平台 下支撑架、固定大齿圈、上下环轨、换转辊子、回转小齿轮及回转传动系统组成。 一般情况下，挖掘机回转运动占工作时间的6 0 - 7 0 ，因此回转装置对挖掘机 的生产率有较大影响。 w k - 1 0 b 挖掘机的回转机构，有两台电动机驱动，大齿轮固定在机架上，小 齿轮绕大齿轮周边滚动，带动整个回转平台作回转运动。回转机构由两套相同的 减速器同时传动，电机上端装有气动制动器，下端是输入减速器，减速器为三级 斜齿轮立式传动。回转立轴由平台下端向下插入减速器最后一级齿轮的花键孔 内。 2 1 3 履带行走装置 履带行走装置是挖掘机上部重量的支撑基础。主要优点是：对土壤的接 地比压小，附着力大，可以用于凹凸不平的场地，具有一定的机动性，能通 过陡坡和急弯。缺点是运动和转弯功耗大，效率低，结构复杂，造价高，零件 易磨损。w k - 1 0 b 挖掘机的行走装置由1 个底架、2 个履带架、2 个驱动轮、2 北京t 业大学t 稃硕一f ，学位论文 个导向轮、6 个支撑轮、驱动轴、电机、减速器等组成。 2 2w k - 1o b 挖掘机的工作原理和主要参数 w k - i o b 挖掘机的结构和装配关系如图2 - 2 ，挖掘作业的过程为，机器靠近工 作面，铲斗的挖掘点位于推压机构正下方的工作面底部斗前面与工作面交角为 4 5 。 - - 5 0 。铲斗，依靠提升钢丝绳和推压机构的联合作用，将矿岩铲起；装满后 将铲斗提升到水平位置，利用回转机构将铲斗转到卸载地点( 矿车) 。开启斗底 矿岩自重卸载，然后空斗转回。 w k 一1 0 b 挖掘机运动轨迹是一条复杂的曲线，它取决于土壤的性质和状态， 铲斗切削的状态以及铲斗提升和推压的速度，理想的情况是，斗齿运动的轨迹开 始的一段几乎水平，而后要求斗柄以较大速度外伸和提升，随着铲斗的升举，推 压速度逐渐下降，待到斗齿达到推压轴高度时，推压速度为零，铲斗的的提升钢 绳拉力几乎保持定值。所以，斗齿后一段的运动轨迹近乎于圆形曲线。 斗齿的切入深度由推压机构通过斗柄的伸缩和回转来调整，每完成一次挖掘 作业，就铲起一层弧性土体，若土质均匀，各层之间挖掘曲线相似。斗柄的伸出 长度，一般不超出全长的2 3 ，这样每挖掘完一个工作面后，机器前移量等于斗 柄伸出行程的0 5 o 7 5 倍。 w k - i o b 挖掘机的主要工作特点可归纳为： ( 1 ) 动臂的倾角保持不变，斗杆和铲斗做转动和推压运动，形成复杂的运 动轨迹，来满足工作要求。 ( 2 )由于动臂与斗杆的布置和连接的结构，决定了它不适宜挖掘低于停机 面以下的工作面，而只能在停机面以上的工作面进行挖掘或铲装； ( 3 )因具有足够大的提升力和推压力，故可用与铲装硬度大的岩石和挖掘 各级土壤。 w k 一1 0 b 挖掘机的规格和主要性能参数，见表2 - 1 所示。 表2 1w k - i o b 挖掘机的主要性能参数 标准斗容1 2 m 3主电动机功率7 5 0 k w 提升速度l m s最大挖掘半径1 8 9 m 推压速度0 6 m s最大挖掘高度 1 3 6 3 m 行走速度0 6 9 k m s最大卸载半径 1 6 ，3 5 m 最大提升力1 0 2 9 k n 最大卸载高度 8 4 5 n 最大推压力6 1 7 k n 挖掘深度 3 4 m 最大爬坡角度1 3 o 工作重量4 5 9 t 平均比压 2 2 5 k p a 理论生产率1 4 9 0 m 3 h 第2 章w k i o b 挖掘机的工作原理及主要结构 9 o i 堇 n n 团 iom缸一叼o一“ii-o【i_oo o-i暑u=i_n。n锄一 伊蛙蹈冥霉好g嚣皋辑 北京工业大学丁程硕j 卜学匣论文 第3 章w k - 1o b 挖掘机斗杆的静应力分析 3 。1 有限元法的基本原理和a n s y s 介绍 3 。1 。1 有限元方法概述 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是一种借助于计算机进行工程分析的离 散化数值分析方法，应用范围非常广泛，几乎可以推广应用于所有工程领域求解 连续介质和场的力学及数学物理方程问题f 7 1 们。有限元法求解力学问题的基本思 想是：将一个连续的求解域离散化，即分割成彼此用节点( ( 离散点) 互相联系 的有限个单元，一个连续的弹性体被看作是有限个单元的组合，根据一定精度要 求，用有限个参数来描述各单元体的力学性质，而整个连续体的力学特性就是构 成它的全部单元体的力学特性的总和。基于这一原理及各种物理量的平衡关系， 建立起弹性体的刚度方程( 即一个线性方程组) ，求解该刚度方程，即可得出预 求的参量。 有限元法按照所选用的基本未知量和分析方法不同，可分为两种基本方法： 一种是以应力分析计算为例，以节点位移为基本未知量，在选择适当的位移函数 的基础上，进行单元的力学特征的分析，在节点处建立平衡方程，( 即单元刚度 方程) ，合并组成整体刚度方程，求出节点位移，可再由节点位移求解应力这种 方法称为位移法；另一种是以节点力为基本未知量，在节点上建立位移连续方程， 解出节点力后，再计算节点位移和应力，这种方法称为力法【l 。一般来说用力法 求得的应力较位移法求得的精度高，但位移法较简单，计算规律强，且便于编写 计算机通用程序，因此，在用有限元进行结构分析时，大多采用位移法。 3 1 2 有限元法的分析步骤 为了获得受载情况下结构危险区的应力响应，下面依据此思路进行分析：首 先应确定危险点的位置；其次分析结构的固有频率和振型动态特性，以避免结构 发生共振；最后针对疲劳破坏交变应力的产生主要原因一强迫振动，对堵转工况 的动态响应，通过a n s y s 软件瞬态分析得出斗杆危险点的应力一时间历程响应。 实施有限元分析的般包括三个步骤：创建有限元计算模型、求解和有限元 后处理。 。 3 1 2 1 创建有限元计算模型包括创建或输入几何模型、定义材料属性、划分 网格、施加载荷、设定边界条件等。在这个过程中需要输入大量的数据，包括各 个节点编号、单元编号、坐标、载荷、材料和边界条件数据等，这些工作称为有 限元前处理。可以由人工输入一些控制参数，然后由计算机自动对有限元数据 进行处理，包括以下基本内容： ( 1 ) 网格自动划分：生成各种类型的单元及其组成的网格，产生节点坐 第3 章w k - 1 0 b 挖掘机斗杆的静应力分析 标，节点编号，单元拓扑关系等数据，网格的疏密分布可由用户来控制，并对生 成的节点进行优序编号以减少总体刚度矩阵的带宽。利用计算机交互图形功能， 可以显示网格划分情况，以便用户修改。网格生成算法很多，有计算机自动划分 网格大致分为两类：基于规则形体的方法和直接对原始模型划分的方法。 ( 2 )生成有限元属性数据：属性主要包括载荷、材料数据和边界条件描 述数据，这些数据又与网格单元相关联，因此要结合网格划分的方法来定义、计 算和产生。 ( 3 )数据自动检查有限元发现的数据量，易于出错，因此在数据的前置 处理中，应利用计算机将网格化的力学模型显示出来，以便对各种数据进行检查 和修正，确保数据正确无误。 建立准确而可靠的有限元计算模型是一项最为重要的工作，它关系到计算结 果正确与否。然而，实际的工程问题往往是非常复杂的，形状千差万别，支承边 界形式多样，载荷变化多端，因此，就要求在建立计算模型的过程中作种种必要 的简化。机械产品的零部件，特别是基础大件根据其结构特点及受力状态，一般 属于空间求解问题。对大型复杂问题，如不作任何简化，将导致计算工作复杂化， 花费大量人力财力，有时甚至难以实现，因此在保证精度的前提下，应使问题尽 量简化。一般来说这种计算模型模拟工程实际问题所带来的误差，要比有限元本 身的计算误差大得多。从这个意义上来说结构有限元分析结果的准确性主要取决 于计算模型的准确性。 3 1 2 2 有限元求解通过对模型进行单元分析和整体分析，求解出位移、应力 值等结果数据。 3 1 2 3 有限元分析数据的后处理在后处理过程中，通过对计算结果进行、整 理，并以数据列表方式或图形方式输出，方便设计人员对设计结果直观判断，实 现对方案或模型进行适时的修改，对有限元分析后产生的大量的结果数据，需要 筛选出或进一步转换设计人员所需要的数据，如危险截面应力值、应力集中区域 世 寸o 3 1 3a n s y s 软件介绍 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析 软件，可广泛用于各个领域多变工程问题的求解。该软件可在大多数计算机及操 作系统中运行。从p c 机到工作站乃至巨型计算机，a n s y s 文件在其所有的产品 和工作平台上均兼容。a n s y s 功能强大，基本功能有结构静力分析、结构动力学 分析、结构非现性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、 声场分析、压电分析，除此之外还具有的多物理场耦合功能，允许在同一模型上 进行各式各样的藕荷计算。它主要包含了前置处理、求解计算、后置处理几大模 块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，己成为解决现代工程问题 北京- e 业大学工丰芊帧学p 论文 必不可少的工具。 a n s y s 软件提供多种迭代求解器，如稳定可靠的波前求解器( f r o n t as o l v e ) 预条件共轭求解器( p c g ) ，该求解器是一个高效高精度求解器；雅可比共轭梯度 求解器( j c g ) ：c h o l e s k y 共轭梯度求解器等。针对不同的问题，用户可以进行 选择，从而最大限度地提高计算效率和准确性。 a n s y s 程序使用统一的集中式数据库来存储所有模型数据及求解结果，模型 数据通过前处理器写入数据库；载荷与求解结果通过求解器写入数据库；后处理 结果通过后处理器写入数据库。数据一旦通过某一处理器写入数据库中，如需要， 即可为其它处理器所用。 a n s y s 可与许多先进的c a d 软件共享数据，并为各工业领域的用户提供分析 各种问题的能力。a n s y s 设计数据接口程序提供完全与设计数据相关联的分析方 案，并能通过良好用户界面完成分析。利用a n s y s 的数据接口，可精确地将c a d 系统下生成的几何数据传入a n s y s ，而后准确地在该模型上划分网格并求解，这 样用户能方便地分析新产品和零、部件，而不必因为在分析系统中重新建模而费 时费力。a n s y s 数据接口程序还可以嵌入在c a d 环境中，并能保持c a d 数据和分 析数据间的相关性。 基于上述各项强大的功能，本文选择a n s y s 软件进行斗杆的有限元分析。 3 2 斗杆的静应力分析 3 2 1w k - 1o b 挖掘机工作装置的结构特点 该挖掘机由推压机构、提升机构、回转机构、行走机构和工作装置组成。 w k 一1 0 b 挖掘机的工作装置主要由动臂l 、斗杆2 ( 含齿条) 、铲斗3 、推压齿轮4 和提升提升钢丝绳系5 等组成，见图3 - 1 ，动臂和斗杆属单梁动臂双梁外斗柄结 构，在靠近铲斗一端，双梁中间采用断面呈长圆形的横梁联接，这样可以改善因 挖掘时铲斗受力不均的状况，可承受较大的推压力，并能够承受因挖掘阻力的偏 心作用而产生的扭力，以及铲斗和斗杆自重造成的惯性力矩。动臂是箱型截面梁， 结构简单，重量轻。下端铰接于平台上，上端依靠绕于滑轮组上的变幅钢绳保持 其固定位置，调节变幅钢绳的长度，可调整动臂的倾角。铲斗提升靠提升钢绳， 下降则靠铲斗自重。挖掘时推压齿轮推出斗柄，斗柄随铲斗的提升或下放可绕推 压齿轮转动。其中斗杆是主要承重件之一，斗杆由推压轴的两端支撑，比较稳定。 推压传动方式为齿轮齿条推压，它适应挖掘重级土壤和岩石，铲斗工作平稳，清 根性好，齿轮和齿条的寿命较长。 第3 章w k 1 0 b 挖掘机斗杆的静应力分析 5 4 j 1 动臂2 斗杆 3 铲斗4 推压齿轮5 提升钢绳 图3 1 工作装置机构示意图 f i g 3 - 1o p e r a t i o nm e c h a n i s mo f t h ee x c a v a t o r 3 3 2 2 斗杆的结构及受力分析 w k 一1 0 b 是白云鄂博铁矿进行剥离岩土和采装经爆破的矿岩的主要的设备之 一，设备状况的好坏直接制约着矿山的生产和效益，面对实际生产中恶劣的工况， 斗杆是主要受力部件，其结构如图3 - 2 ，它是以低合金高强度钢板焊接成的直角 箱型变截面双梁结构内有加强肋板，分前后两部分，前部与铲斗结合，斗杆前后 不等宽，中间采用变截面过渡，同时齿条焊缝也在此处。后部下盖板上焊有模锻 齿条，实现与推压轴上的推压齿轮啮合。在靠近铲斗一端两根斗杆之间用横梁连 接构成一个整体，安装在动臂中部两侧的扶柄套中。挖掘机工作时，依靠固定在 动臂鞍座处的推压齿轮与斗杆下面的齿条啮合传动，推动斗杆在扶柄套内往复运 动，使铲斗得以完成挖掘和装卸动作。 l 辱滑轮鬻l l霉禽耩姥 1 2 埔蕾 图3 2w k 一1 0 b 挖掘机斗杆结构图 f i g 3 2d e t a i l e ds t r u c t u r eo f t h ed i p p e rs t i c k 图3 - 3 斗杆受力简图 f i g 3 - 3f o r c e so nt h ed i p p e rs t i c k 在采掘过程中，影响挖掘力的因素很多，斗柄不仅受到激烈的振动，而且经 常反复受到强烈的冲击和撞击等动载荷的作用，尤其是挖掘时发生偏滑而作用于 斗柄的力，对斗柄产生一个扭转作用，这一附加扭矩所产生的应力与其它应力相 叠加，对矩形双梁结构的斗柄是非常不利的，极易造成斗柄裂纹甚至断裂。 第3 章w k 1 0 b 挖掘机斗杆的静府力分析 回转中心绂 图3 4 斗杆受力分析图 f i g 3 - 4d i a g r a mo ff o r c e s f l l 3 南 在挖掘机挖掘过程中，在任意位置所受的力是不同的。正常挖掘时的受力如 图3 - 3 ，由于斗杆的推压运动，斗杆的最大应力点总是不断变化的，斗杆静强度 校核时，根据图3 4 所示，斗杆的受力分析如下：斗杆受到的作用力有挖掘阻力 沿挖掘轨迹切向分力f l 和法向分力f 2 ，作用在斗边的斗齿上，挖掘时遇到障碍 物，产生横向力f k ，铲斗自重为g d ，斗杆自重为g b ，斗中岩石重为g m ，推压轴 处支反力为r ，还受到推压机构的推压力f m 及提升钢绳的提升力f t i ，一般情况 下，斗杆在座内允许有轻微的转动，则支座处处理为单力作用，此时由f l 和f k 的作用产生f t a 和f k h 使得两斗柄在支座处一侧梁受力大，一侧受力小，而f k 在水平面内各侧梁反力相等皆为f k 2 ；另由力偶f k l 2 的作用在两侧梁支座处产 生的附加拉伸和压缩力为f k ：2 b ；在垂直平面内力偶f k h 产生垂直方向的反力在 支座处各为f k h b ，另外在垂直平面还可能有因f 1 的偏心作用产生附加反力各为 f l a b 。在齿条推压中，由于制造误差，推压力不可能平均分布于两侧梁上，所 北京工业大学工稃硕士等，1 寺论文 以规定一边受力为2 f m 3 ，另一边受力为3 ，并将2 f 似3 加载在受力严重的一 侧的梁上。f m 作用线与斗柄中心线偏离e ，故对斗柄梁断面形成偏心压缩，偏心 矩为f t ue ，也按照2f t ue 3 和f t i le 3 加载在相应的梁上。 3 2 3 关于斗杆的力学模型 3 2 3 1c a d 三维造型和p r o e n g n e e r 简介【1 2 】有限元分析是建立在对一个工程 系统的物理原型的准确定义的数学模型基础上的，广义上讲，模型包括多有节点、 单元、材料属性、实常数、边界条件，以及其他用来表现这个物理系统的特征。 参数化的c a d 造型是实现工作装置实体模型可视化的必经之路。a n s y s a 的有限 元分析功能虽然强大，但它的实体造型相对薄弱，用它创建具有复杂特征的零件 相当繁琐和困难，而现有的商业c a d 软件有p t c ( 美国参数化技术公司) 的 p r o e n g n e e r 系统，i b m 公司的c a d a m 和c a t i a p i r m e 公司的c a d d s 和m e d u s a ， 麦道公司的u g - i i ，s d r c 公司的i - d e a s 以及法国的y 睛, t r 公司的e u c l i d 等都具 有强大的三维实体造型技术。 p r o e n g n e e r 是世界领先的机械设计自动化解决方案，专门用于机械计算机 辅助设计( m c a d ) 。它提出的单一数据库、参数化设计、行为建模能力、特征造 型、全相关性的概念，彻底改变了机械c a d c a e c a m 的传统概念，这种全新 的概念已成为当今世界的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械c a d c a e c a m 产品，能将设计到制造的全过程集成在一起，让所有的用户能够同时进行同 一产品的设计、制造工作，即实现所谓的并行工程。 p r o e n g n e e r 界面友好，是采用参数化设计的基于特征的实体模型化系统。 所谓参数化是指特征之间具有定的关联关系，这种关系可以通过定的参数来 表示，参数可以是变量，也可以是表达式，各参数是随着外部变量的变化而变化 的，设计具有实时性；参数化设计通过尺寸驱动来实现，即以模型的尺寸来决定 模型的形状，一个模型由一组具有一定关联的进行定义。 p r o e n g n e e r 软件有如下特点： ( 1 ) 3 d 实体模型 它将使用着的设计概念，以最真实的模型在计算机上呈现出来，随时计算计 算产品的体积、面积、质心、重量、惯性矩等属性，解决复杂产品之间的干涉， 提高效率，降低成本，便于设计人员和管理人员之间的交流。 ( 2 ) 单一数据库，全相关性 所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自于一个库，使得每一个在为一 件产品造型而工作，不管他是哪个部门的。全相关性是指由3 d 实体模型可随时 产生2 d 工程图，而且自动标注工程图尺寸，不论是在3 d 还是在2 d 图形上进行 尺寸修正时，其相关的2 d 图形和3 d 实体模型均自动修改，同时装配、制造等相 关信息也会自动修改，可确保资料的正确性，并避免反复修正耗时性，与工程同 第3 辛w k 1 0 b 挖掘机斗杆的静应力分析 步，确保工程数据的完整与设计修正的高效。 ( 3 ) 以设计特征作为数据库存储单位 它以常规的工作模式从事设计操作，如钻孔、挖槽、圆角等。充分体现设计 概念，设计过程中导入实际的制造行为，以特征作为资料存储的单元，可随时对 特征进行合理的不违反几何顺序的调整、插入、删除、