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山东大学硕士学位论文 装载机工作装置动臂框架工作状态的力学分析 摘要 随着我国现代化建设进程的不断推进，工程机械行业的发展得到极大的促 进，对工程机械的结构提出了越来越高的要求，不仅要求有较高的承载能力、 高的疲劳寿命，还要求减少原材料的使用，降低生产成本；在满足强度的前提 下，求得最优设计。装载机工作装置是承受载荷的基础构件，研究工装机构的 实际受力情况，将为不断改进挖掘机械设计和制造方法提供理论依据。搞清了 工装机构的受力情况，不仅奠定了对其进行有限元或结构强度分析的基础，而 且也有助于对其进行加工材料、加工方法及结构形状等的合理选定。 材料力学方法的长处是可以快捷地获得特定区域( 特别是边界区域) 上的 综合力学量，为进一步的细致分析提供依据。但是，由于其在几何建模和力学 模型建模方面，往往作出很多假设，造成与实际情况较大的差异。而使用有限 元模拟技术可以建立与实际结构和受力情况相吻合的有限元模型，对结构进行 全面而准确的应力、变形分析。 根据装载机的作业方式、作业过程和外载施加特点，搞清工作装置的受力 特点，计算工作装置各构件的受力情况，其结果作为有限元分析时的外载荷。 同时，在此计算结果的基础上，用材料力学方法计算各构件的内力，进行危险 断面的强度校核，与有限元分析结果进行分析比较。用u g 软件建立与该工作装 置实际情况相吻合的数字模型，为下一步进行有限元分析做好准备。 动臂是工作装置中最重要的部件，它受力复杂，自重较大。国内外装载机 的动臂都有发生过动臂破坏现象。本文首先以动臂处于最低位置，工作机构的 最大受力工况为模型，对工作装置的动臂框架进行静态结构分析，得到整个动 臂框架在正载、偏载情况下的应力、应变、变形分布。改变动臂框架的位置， 重复上述分析，根据分析，选取以下四种工况：( 1 ) 动臂与地面成3 0 0 角的位置； ( 2 ) 动臂与地面成1 5 0 角的位置；( 3 ) 动臂抬升至卸载位置；( 4 ) 装载机卸料 时。通过这几种不同工况的分析结果，了解动臂框架在整个工作过程中最大应 力、最大应变和最大变形的位置变化，为今后动臂框架的设计及优化提供参考。 记录动臂框架各工况下最大应力、最大应变和最大变形的位置及其数值，作 出静力载荷谱即动臂时间一应力载荷谱，时间一应变载荷谱，时间一位移载荷 i 撼要 谱。了解动臂框架各工况下应力、应变、变形值最大处在整个工作过程中的数 值交化，更清楚地了解容易发生破坏处的受力情况。 最后，根据有限元分析结果以及疲劳累积损伤原理，对动臂框架进行疲劳寿 命预估，能在其发生破坏之前及早发现闯题并进行补救工作，减少疲劳断裂事 故的发生，同时，对于指导装载机的设计、制造、检验与管理也具有十分重要 的意义。 关键词：装载机；动臂；有限元；静力载荷谱；疲劳寿命 珏 山东大学硕士学位论文 m e c h a n i c sa n a l y s i so fw o r k i n gs t a t eo fa c t i v ea r mf r a m e o fl o a d e r sw o r k i n gd e v i c e a b s t r a c t 瞄t h e d e v e l o p m e n to fm o d e r n i z a t i o n , t h ei n d u s t r yo fe n g i n e e r i n gm a c h i n eh a s g a i n e dh u g ep r o m o t a t i o n , h i g h e rr e q u i r e m e n th a sb e e nn e e d e df o rt h es t r u c t u r e o f e n g i n e e r i n gm a c h i n e ，s u c h a s h i g hb e a r i n gc a p a c i t y , l o n gf a t i g u el i f e ，a n d l o w p r o d u c t i o nc o s t o nt h ep r e s u p p o s i t i o no fm e e t i n gi t ss t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，o p t i m a l d e s i g ns h o u l db eo b t a i n e d w o r k i n gd e v i c eo ft h el o a d e ri so n eo ft h em a i nb e a r i n g p a r t s ，s t u d y i n gi t sp r a c t i c a lb e a r i n gt i r e sw i l lp r o v i d ea c a d e m i cg i s tf o r t h ed e s i g n a t i o n o fl o a d e r s k n o w i n gt h eb e a r i n gc i r c so fw o r k i n gd e v i c e ，y o uc a l lm a k et h ef i n i t e e l e m e mm e t h o da n a l y s i sa n ds t r u c t u r a li n t e n s i t ya n a l y s i s ，m a k i n gr i g h tc h o o s ef o r m a c h i n i n gm a t e r i a l ，m a c h i n i n gm e t h o da n ds t r u c t u r a ls h a p e t h es t r o n g p o i n to fm a t e r i a lm e c h a n i c si sy o uc a ns h o r t c u tg a i nt h er e s u l t a n t f o r c eo ft h el o c a t i o n ( e s p e c i a l l yt h eb o u n d a r ya r e a ) t o d of a r t h e r p a r t i c u l a r ) , a n a l y s i s h o w e v e r , t h e r ei sb i gd i f f e r e n c ew i t ht h ef a c tb e c a u s eo ft h eh y p o t h e s i si n g e o m e t r i cm o d e l i n ga n dm e c h a n i c a lm o d e l i n g t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lc a l lb eb u i l d a c c o r d i n gt oi t sm a i nc h a r a c t e rb yt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nt oa n a l y z ei t ss t r e s s a n dd i s t o r t i o nc o m p l e t e l ya n de x a c t l y b e a t i n go u tt h eb e a r i n gc i r c so fw o r k i n gd e v i c e ，b a c e do nt h el o a d e r sw o r k i n g m o d e ，w o r k i n gp r o c e s sa n dt h eo u t s i d ef o r c et ol o a d ，c a l c u l a t i n gt h eb e a r i n gc i t e so f e a c hc o m p o n e n to fw o r k i n gd e v i c et od ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a tt h es a n l et i m e ， c a l c u l a t e i n gt h ei n t e r n a lf o r c eo fe a c hc o m p o n e n tb ym a t e r i a lm e c h a n i c st oc o m p a r e 、析也t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t b u i l d i n gt h ef i g u r em o d e la c c o r d i n gt oi t s m a i nc h a r a c t e rb yu gf o rt h en e x tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a c t i v ea r n li so n eo ft h em a i np a r t so fw o r k i n gd e v i c e ，i t sb e a r i n gc i r c si s c o m p l e xa n di t sd e a d w e i g h ti sl a r g e i nt h ep a s t , d a m a g eh a so c c u r r e di nl o a d e r si i l h o m ea n do v e r s e a s i nt h i sd i s s e r t a i l o n , w ef i r s tc h o o s et h em o s tb e a r i n gc a s et od o s m i l es t r u c t u r a la n a l y s i s ，t h es t r e s s ，s t r a i na n dd i s p l a c e m e n td i t r i b u t i o n so fw h o l l y a b s t r a c r 量量鼍寰黑皇曼曼曼曼冀鼍舅量量量黑嬲鼍曼曼曼曼黛舞曼曼曼曼皇燃篁曼曼曼曼黑是曼曼曼曼黑黑暑曼曼量酬i i i ii 曼曼曼篁嬲黑 a c t i v ea r ma r eo b t a i n e d c h a n g i n gt h ep l a c eo fa c t i v ea r mt od ot h es a m ea n a l y s i s ，w e c h o o s ef o u rc a s e st oa n a l y z e ：( 1 ) t h ea n g l eo fa c t i v ea r ma n dt h ef l o o ri s3 0 ；( 2 ) t h e a n g l eo fa c t i v ea r ma n dt h ef l o o ri s15 ；( 3 ) a c t i v ea r m i si nt h eu n l o a dp o s i t i o n ；( 4 ) t h e l o a d e ru n l o a d s a n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h ef o u rc a s e s , w ek n o wt h ep l a c eo ft h e m a x i m u mo fs t r e s s ，s t r a i na n dd i s p l a c e m e n to fa c t i v e 溅i nt h ew h o l ew o r k i n g p r o c e s s ，w h i c hm a y b eu s e da sr e f e r e n c ei nt h eo p t i m i z a t i o no fa c t i v ea n l l n o t i n gt h ep l a c ea n dn u m e r i c a lv a l u eo ft h em a x i m u mo fs t r e s s ，s t r a i na n d d i s p l a c e m e n t , t h es t a t i cl o a ds p e c t r u mi so b t a i n e d ，n a m e l yt i m e - s t r e s sl o a ds p c c t r m n ， t i m e - s t r a i nl o a ds p e c t r u ma n dt i m e d i s p l a c e m e n tl o a ds p e c t r u m u n d e r s t a n d i n gt h e c h a n g eo fp l a c eo f t h em a x i m m n , w ec a l lk n o wt h eb e a r i n gc i t e so ft h ee a s yd e s t r o y e d p o s i t i o nm u c hm o r ec l e a r l y a tl a s t ，e s t i m a t i n gt h ef a t i g u el i f ei na d v a n c eb a s e do nt h ef m i t ee l e m e n ta n a l y s i s r e s u l t sa n df a t i g u ed a m a g ea c c u m u l a t i o nt h e o r y ，w ec a l lf r e dp r o b l e mb e f o r eb r e a k a g e a n dr e p a i ri tt or e d u c ef a t i g u er a p t u r ea c c i d e n t a tt h es a m et i m e ，i ti so fg r e a tm e a n i n g f o rt h ed e s i g n ，p r o d u c e ，c h e c k o u ta n dm a n a g e ro fl o a d e r k e yw o r d s ：l o a d e r ；a c t i v ea r m ；f e m ；s t a t i cl o a ds p e c t r u m ；f a t i g u el i f e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：斗 e l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：逝导师签名：疆! 丝胡期：巡髟 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 工程机械是工程施工中必不可少的设备。随着我国现代化建设进程的不断 推进，工程机械行业的发展得到极大的促进，对工程机械的结构提出了越来越 高的要求，不仅要求有较高的承载能力、高的疲劳寿命，还要求减少原材料的 使用，降低生产成本；在满足强度的前提下，求得最优设计。工程机械有许多 种类，轮式装载机是其中之一。轮式装载机是一种用途较广的施工机械，广泛 应用于建筑、公路、铁路、水电、港口、矿山及国防工程中，对加快工程建设 速度、减轻劳动强度、提高工程质量、降低工程成本发挥着重要的作用。 轮式装载机由行走系统、工作装置和液压系统三部分构成，其中，工作装 置是实现铲掘和装卸物料的复杂连杆机构，是装载机主要的承重部件，其设计 水平直接影响到作业性能的好坏，进而影响到整机性能如工作效率、作业质量、 设备寿命和其它经济指标，因此，它是轮式装载机的关键部分。工作装置的设 计传统上基本沿用类比法和作图试凑法，这种方法盲目性大、设计精度低、周 期长，不易获得比较满意的设计方案。二十世纪七十年代中期以来，国外一些 大型装载机制造公司如日本小松、c a t e r p i l l a r 等，将机械优化设计、有限元分析 及c a d 方法等现代设计理论与方法应用于装载机的实际产品设计中。 工程机械在整个作业循环过程中受到的载荷包括结构本身的自重，物料的 重量，运行的牵引、制动和回转惯性力。通过计算机分析，可以让设计人员对 所设计的结构在每种工况所确定的载荷作用下其结构的强度、刚度及屈曲稳定 性有一个全面而准确的了解。根据计算所得到的结构上各处位移和应力的分布 结果结合相应的设计标准或规范，判断所设计的结构的可靠性和经济性，在此 基础上进行改进或优化设计，从而避免某些结构或零部件由于过大的应力或压 力失稳而损坏，并控制机械结构整体及其零部件的刚性性能。另外，对于那些 所受应力较小、结构材料利用不充分的区域可以结合加工和制造工艺的实际情 况进行材料板厚减薄、截面尺寸减小等，从而达到设计阶段的成本降低控制l l j 。 我国装载机的研究和使用已有五十多年的历史，经历了三个发展阶段：6 0 年代仿制摸索阶段；7 0 年代自立更生研制阶段；8 0 9 0 年代技术引进、合资发展 阶段。从1 9 7 6 1 9 9 6 年我国装载机产量增长了4 1 倍，研究设计水平有了很大的发 展和提高，取得了许多成果，如成功地研制了z l 系列。然而，从整体上看，我 第一章绪论 国工程机械的性能相当于国际8 0 年代末的水平；质量相当于国外7 0 年代末的水 平；生产和制造相当于其7 0 年代中期的水平。本文以z l k l 5 轮式装载机为对象， 研究计算机技术在工程机械结构分析和优化设计中的应用。 1 1 轮式装载机及其工作装置结构简介 1 。1 。1 装载机结构简介 2 1 1 3 1 装载机按行走系统的结构可以分为轮胎式和履带式两类。目前，大都采用轮 胎式，这是由于轮胎式具有机动灵活、作监效率高、制造成本低、使焉维护方 便等优点。而履带式装载机则具有接地比压小、通过能力强、牵引力大、工作 稳定等特点，多用于矿山、湿地、松软地面等旌工条件差的作业场所。 轮式装载机主要由动力系统、传动系统、车架、转向系统、铡动系统、行走 装置、工作装置、工作液压系统、电气系统和操纵系统等组成( 如图1 。l 所示) 。 动力系统传来的动力一部分通过变矩器2 传给变速箱1 5 ，再由变速箱1 5 把动 力经前后传动轴1 3 、1 6 分别传给前后驱动桥ll ，以驱动车轮前进；另一部分， 则经过设在变速箱1 5 或变矩器2 上取力接口，传递给液压油泵3 ( 如变速泵、转 向泵、工作泵等) ，为传动系统、转向系统和工作液压系统等提供动力。 图l 。l 轮式装载机总体结构示意图 1 一柴油机2 一变矩器3 一工作泵4 一铰接销5 一转斗油缸6 一摇臂7 一动臂 8 一拉杆9 一铲斗l o 一车檠l l 一驱动桥1 2 一动臂油缸1 3 一前传动轴 1 4 一转向油缸1 5 一变速箱1 6 一后传动轴1 7 一配重 工作装置由动臂7 、铲斗9 、摇臂6 和拉杆8 等零件组成。动臂7 的后端通过动 臂销与前车架1 0 相连，前端安装有铲斗9 ，中部与动臂油缸1 2 相连接。当动臂油 缸1 2 收缩时，动臂7 绕其后端销转动，实现铲斗9 的提升或下降。摇譬的中部帮 动臂7 相连，两端分别与拉杆8 和转斗油缸5 相连。当转斗油缸5 伸缩时，摇臂6 绕 2 。 山东大学硕士学位论文 其中间支撑点转动，通过拉杆8 使铲斗9 上转或下翻。 车架由前车架和后车架两部分组成，前后车架之间用铰链销连接，依靠转向 油缸1 4 的伸缩作用，使前后车架绕铰接销相对转动，实现转向。后车架上安装 有副车架或摆动桥支架，可以使后桥绕后桥架在一定范围( 一般为1 0 0 1 5 0 ) 内 上下摆动。装载机的车轮上装有制动器，司机踩下制动踏板，通过制动系统使 制动器产生制动作用，以降低装载机的行驶速度或使其停止。 1 1 2 工作装置结构简介【4 】【5 1 1 2 2 装载机的工作装置由动臂、铲斗、摇臂和拉杆等零件组成。工作装置是装 载机的主要工作部分之一，也是主要的承重部件。装载机的装载工作主要依靠 工作装置来完成：与左右动臂相连的举臂油缸用来完成升降臂作业，与摇臂相 连的翻斗油缸用来完成翻斗作业。工作装置的强度刚度都显著地影响着整机的 工作尺寸、性能参数等等。工作装置分为有铲斗托架和无铲斗托架两种基本结 构形式，本文研究无铲斗托架的工作装置，如图1 2 所示。 图1 - 2 无铲斗托架的工作装置 图1 3 转斗缸后置式反转六杆机构 第一章绪论 量曼, , ,i i i i i i i i i , i i ii i i i i 黑皇皇曼量曼囊皇皇曼量曼黧爱曼 无铲斗托架的工作装置，其动臂下铰接点与铲斗铰接于点b ，上铰接点与前 车絮支座铰接于煮a ；转斗缸一端与前车架铰接予点g ，另一端与上摇臂铰接于 点e ；连杆一端与摇臂铰接于点d ，另一端与铲斗铰接于点c ；摇臂铰接在动臂 上赢f 。动臂举升油缸顶部与前车架铰接予点y ，铲斗是装载物料的容器，逶常 具有两个铰点，个( b 点) 与动譬下铰接点铰接，另一个( c 点) 与连杆铰接。 操纵转斗缸实现铲斗的装载或卸料，操纵举升缸实现动臂和铲斗升降运动。 壶该工作装麓的自由度分析可知，工作装置的连杆机构均为封闭运动链的 单自由度的平面低副运动机构，其杆件数目应为4 、6 、8 、1 0 等等。尽管杆件数 日越多越能实现复杂运动，但铰接点的数目亦同时随之增加，造成结构越加复 杂，越难在动臂上进行布置。因此，装载机工作装置的连杆机构多必夕秆以下 机构。按照构件数不同，可分为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆机构；按输入 与输出杆转向不同，又可分为正转( 输入与输出杆的转向相同) 和反转( 输入 与输出杆的转向楣反) 机构。 本文研究的是反转六连杆机构，如图1 3 所示。这种机构形式简单、尺寸紧 凑。当铲斗铲掘物料时由于是反转机构，转斗油懿大腔进油工作，可以获得较 大的铲掘力。也就是说，铲起同样重量的物料，转斗油缸的尺寸可以设计 ! 譬较 小。而且转斗油缸后置，使司机有较好的视野。反转六连杆机构尤其多用于中 小型装载机工作装置。 1 1 2 研究现状 力学分析是机械结构强度计算的基础，也是设计计算的依据。力学分析基本 上可以分为两类，一类采用材料力学方法，一类采焉弹性力学方法。材料力学 方法在几何建模和力学模型建模方面，往往做出很多假设，与实际情况有较大 差异，而且如果要分析整体装置的应力、应变场，常常无能为力。但是材料力 学方法的长处是可以快捷地获德特定区域( 特别是边界区域) 上的综合力学量， 为进一步的细致分析提供依据。采用弹性力学方法进行分析，基本可以保持实 际结构的本来特征和受力状态进行分析。特别是当使用有限元模拟技术后，弹 性力学方法得到长足发展，它可以做到建立与实际结构和受力情况尽量吻合的 有限元模型，对结构进行全面而准确的应力、变形分析 6 j 。 早在7 0 年代，装载机工作装置的优化设计在国外便不再是独立进行，而是与 4 山东大学硕士学位论文 有限元的结合使用。美国学者d l b a r t e l 和d c s w a r m 的前端式装载机动臂总成优 化便是成功的范例n 另外，卡特彼勒、日本小松制作所和意大利菲亚特一阿里 斯等大型装载机制造公司也于7 0 年代中期将优化设计、有限元分析及c a d 现代 设计理论与方法应用于装载机及其工作装置的实际产品设计之中，并取得了较 好的经济效益。e n g e n i n s zr u s i n s k i ，p r z e m y s t a wm o c z k o 和j e r z yc z m o c h o w s k i 通过有限元分析法和实验法相结合来分析井下挖掘机动臂断裂的原因及其设计 问题 s l 。 国内一些高等院校，科研院所和生产制造企业于8 0 年代初开始有限元在装载 机设计理论与应用方面的研究工作，研究内容涉及诸多方面：王伟民等【9 】应用线 弹性结构分析程序s a p 5 p 对双伸缩臂装载机工作装置进行有限元分析，解决了动 臂在对称载荷、偏载两种工况下的强度和刚度计算问题。王玉兴等【1 0 1 对1 5 m 3 铲运机铲入过程中的集中正铲入、右铲入、左铲入和均匀正铲入四种工况进行 了有限元建模和分析，取得了动臂的应力场，得出了动臂受载最恶劣的工况和 最大受载部位。龚勇【l i 】应用p r o m e c h a n i c a 软件，建立偏载工况下装载机工 作装置运动学模型，求解出工作装置各销轴的作用力，并把该作用力作为动臂 强度分析力学模型的载荷来进行动臂的应力计算。张建红【1 2 】运用p 砌，e 软件建立 装载机工作装置运动学模型，进行动臂的强度分析，精确求解出偏载工况下装 载机动臂的应力，为工作装置的设计提供科学依据。同时在装载机系列化产品 设计中应用虚拟原型技术，从而缩短设计周期，减少装载机动臂材料用量，降 低产品成本，提高产品竞争力。丁华等【1 3 】用p r o e 软件建立液压挖掘机动臂的 三维模型，对动臂的两种工况进行计算，结合工作装置的静强度试验结果，进 行对比分析，对现行设计提出了改进建议。姚俊【1 4 】等使用u g 和m s c n s t r a n 有限 元分析软件，对某型号轮式装载机摇臂进行结构静力分析，研究铸造结构改为 钢板焊接结构对工作装置的影响，确定焊接结构钢板的合理布局，实现产品优 化。张纯宇【1 5 】以散体力学为理论基础推出了铲装阻力计算公式，并通过模拟试 验得出了回归的试验公式。李政菊【1 6 】等根据罗吉诺夫等在6 0 年代提出的理论和 公式，确定装载机铲斗插入、铲取阻力。段涌光等【1 7 】用普朗特尔极限承载力原 理分析了装载机铲斗铲装非粘性土壤的插入阻力，得出了插入阻力的表达式。 此外，还出现并迅速发展起来优化设计、可靠行设计、动态设计及与c a d 一体 的现代设计。 5 第一章绪论 1 3 本论文的研究内容与分析方法 有限元法是一种有效的数值计算方法，其基本思想是，将系统离散为有限 个单元，相邻单元在节点上连接，用近似函数表示单元内的真实场变量，从而 德出离散模型的数值解。经过几十年的发展，有限元法已成为工程设计中不可 或缺的一种重要方法，从理论上说几乎可以用来求解所有连续介质和场问题【l 引， 包括结构静力、动力、非线性、疲劳、断裂、复合材料分析、热分析、电磁场 分析、流体动力学分析、耦合场分析等。 在机械与车辆结构分析中，有限元法可用于对所有结构件、主要零部件的 强度、刚度、稳定性分析，有着材料力学求解方法不可比拟的优点；在计算枧 辅助设计( c a d ) 和优化设计系统中，有限元法承担结构分析工作，成为其中主要 组成部分之一；在机械结构动态分析中，采用有限元法进行各构件的模态分析， 计算各构件的动态响应，可真实地描绘出动态过程。因此有限元在机械与车辆 结构设计的应用前景十分广阔。随着各种功能强大的大型通用有限元分析软件 的出现，如n a s t r a n ，m a r c ，a n s y s ，a d i n a , c o s m o s 等，有限元分析技术 在王程结构分析中正走向普遍应用。 尽管有限元功能日趋强大，但使用有限元仍然不是一件容易的事情，其关 键取决于对所分析的问题是否有准确恰当的认识，对具体的有限元工具能够提 供何釉技术是否有充分适宜的了解，对个案应用来说，只有把两项较好地结合 起来才能成功。 本文p a z l k l 5 轮式装载机工作装置力研究对象，震u g 软件建立该工作装置 的几何模型，用材料力学方法分析该工作装置各构件的工作力学状态，用a n s y s 有限元分析软件对该装置构件进行应力场和应变场分析，针对分析结果提出设 计和优优建议。 具体安排如下： 第一章介绍本研究的意义及研究状况； 第二章从轮式装载机的整体王况分析入手，推导建立工作装置的各种受力 模型； 第三章用u g 对工作装置进行数字建模，为导入a n s y s 傲前麓准备； 第四章对工作装置的几种典型受力模型进行有限元公析，如以动臂处于最 低位置，工作机构的最大受力工况为模型，对工作装置的动臂框架进行静态结 6 山东大学硕士学位论文 构分析，得到整个动臂在正载、偏载情况下的应力场、应变场和位移云图与等 应力线图等。改变动臂位置，重复上述分析。做出动臂时间应力，时间应变， 时间位移载荷谱； 第五章结合装载机动臂框架的工作全过程，利用模拟结果，对动臂框架进 行疲劳寿命预估。 7 第二章装载机约工作工况及其王作装置鲍受力模型 耋曼曼篡燃鼍曼皇曼璺黑曼曼曼曼懋鼍量曼皇曼奠嬲曼曼曼皇燃粤曼曼曼曼囊置曼曼皇笪缴景曼! 岂皇黑篡曼曼皇笪黑等量曼i i i i 嬲曼曼曼皇寰嬲量曼曼曼璺魍 第二章装载机的工作王况及其工作装置的受力模型 进行王作装置及其构件的有限元分析，必须知道它的外力载荷情况。由于 工作装置是装载机的一个组成郝分，工作装置的外力载荷归根结底来源于装载 机的外载，因此为了求解工作装置各构件的受力，则要搞清装载机的作业方式、 作业过程和外载施加特点。 2 。1z l k l5 轮式装载机的主要技术参数【2 1 l s 图2 - lz l k l 5 装载梳外形尺寸图 发动机 额定功率( 1 ( - 叼 额定转速( r m i n ) 额定斗容量( m 3 ) 卸载高度( m m ) 卸载距离( 凇) 额定载重量( 奶 5 9 2 4 0 0 o 6 1 6 0 0 1 2 9 0 1 5 山东大学硕士学位论文 整机质量( t ) 铲斗自重取g ) 最高车速 5 3 0 0 前进 2 6 后退t h n h ) 2 6 外形尺寸( 长宽高) ( 加m ) 5 1 0 0 2 0 0 0 2 3 0 0 图2 1 给出了z l k l 5 装载机最大外形尺寸示意图，其中用虚线框起来的部 分是它的工作装置集成。 2 2 轮式装载机的作业方式【1 9 】 装载机的作业是在运行中配合工作装置的动作进行，其中，铲装工序是主 要工序，它借助于插入力和用转斗及动臂提升的配合动作完成，其所需功率最 大。 不同的铲装方法对作业阻力和铲斗的装满程度有很大影响。工作时，主要 根据所铲装的物料种类( 容重、颗粒大小) 选用不同的铲装方式。装载机采用 以下几种铲装方法： ( 1 ) 一次单独铲掘法( 图2 - 2 a )装载机用一档直线前进，使铲斗斗刃沿 料堆底部插入，其插入深度约为斗底长度时，装载机停止前进，然后利用转斗 油缸向上翻转装满铲斗。 这种方法是工程上常用的铲装方法，其插入深度长，作业阻力大，因此装 载机需要较大的牵引力，否则不易装满铲斗，同时要求油缸具有较大的推力， 以克服转斗时的阻力。 由 协 一，一 由嘭 图2 - 2 装载机铲装物料的方法 ( 2 ) 分段铲掘法( 图2 - 2 b )铲装难以插入物料时，直接使铲斗插入料堆 足够深度是不可能的，则可将铲斗插入一定深度后，装载机停止前进，举起动 臂一定高度，再行前进，分段插入和提升。这种方法必须使装载机的操作机构 o 第二章装载机昀王俘誓况及其_ 工作装置改受力模型 j i i i i i i i i i i 一一 i i i i 1111i i 量皇曼寰舅糕鼍 多次重复动作。 ( 3 ) 挖掘法( 图2 - 2 c )铲斗插入料堆l 络斗底时，立即配合以动臂提升， 在斗刃离开料堆后，铲斗转至运输位置，这种工作方式与挖掘机挖掘工作方法 类似，故又称“挖掘机 铲装法。 ( 4 ) 配合铲装法( 图2 2 d 、e )装载机前进，把铲斗插入料堆不太大的 深度( 其插入深度则根据料堆的情况不同，而在斗底长的0 2 0 5 范围内选取) ， 然嚣，在装载机前进的同时，还配合以铲斗懿转及动臂提升( 餮2 - 2 d ) ，或仅进 行铲斗的翻转( 图2 - 2 e ) ，装载机的前进速度应与提升或翻转很好的配合，使铲 斗的提升轨迹与料堆的坡面线大致平行。这种铲掘方法，插入、提升和转斗的 阻力都很小；装载视非常平稳，其插入阻力约为一次单独铲握法熬1 2 - 1 3 ，这 种方法不需要开始时一次插入很深，但能保证很大的铲掘范围和装满系数。 2 3 轮式装载机作业工况 2 6 - 2 8 】 轮式装载机是一种囱行式工程机械，其作业由铲、装、运、卸料等组成。 其工作循环由前进、铲装、后退、转向、前进、卸料等动作构成，其_ i 作过程 如图2 3 所示为装卸物料示意图： 工作装置的作业过程通常豳以下5 种典型工况组成，如图2 3 。 ( 1 ) 地面插入工况i 动臂( 图2 3 中a d g ) 下放至下限位置，铲斗插入地面， 斗尖触地，开动装载机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。此时，u g = u g 4 ，u = u i = 5 - 0 0 ( 通常取其上限值) 。 ( 2 ) 下限收斗工况h 完成工况i 以后，转动铲斗，铲取物料，操作转斗缸 实现收斗作业过程。u e 净u g 4 ，u = u 2 = 4 0 0 - 4 5 0 ( 一般由用户确定) 。 ( 3 ) 重载运输工况l 差l 转斗缸闭锁，举升动臂，将工况i l 的铲斗舞高到适当 的运输位置( 以斗底离地的高度小于最小允许距离为准) ，然后驱动装载机，载重 驶向卸料点。u g = u g 7 ，u ：- u 运输。 ( 4 ) 上限举升工况i v 保持转斗缸长度不变，操作举升缸，将动臂井至上 限位置。此时，u g = u g 6 ，u = u 上收。 ( 5 ) 上限卸料工况v 在上限收斗工况下，操作转斗缸龋转铲斗，向运输 车辆或固定料仓卸料。u g - u g 6 ，u = u 3 = 4 5 0 。 卸载结束后，操作举升缸下放动臂，实现铲斗自动放平，再次进入地面插 入王况，并进行下一循环作业过程。 1 0 山东大学硕士学位论文 g 夥c ，g ， 兰 c 口 矿本 上曩务工墨l ， 一7 矗汨 下t 4 t 蠢h ， 一r 一工置fj 图2 3 装载机工作装置典型作业工况 i 一地面插入工况一下限收斗工况一重载运输工况 一上限举升工况v 一上限卸料工况 本文分析的工况即图2 3 中的i 、地面铲掘工况，、上限举升工况，v 、上 限卸料工况，以及i i 、i i i t _ 况之间动臂处于不同位置( 与地面呈3 0 0 角、1 5 0 角) 时的两个工况。 2 4 外载荷分析 2 4 1 作业阻力 2 4 1 1 装载过程 装载过程中物料变化是一复杂的物理现象。当铲斗插入料堆后，物料发生变 形，斗刃前缘一部分物料被压实，形成压实区( 又叫压实核心) ，铲斗进一步插 1 1 第二章装载枧的王作互况及其王律装墨的受力模型 _ 一一i i i i i i i i i i , 曼曼舅鼍鼍 入，剪切产生变形阻力，物料与斗壁问的摩擦阻力，以及物料问的内摩擦阻力 等等形成了装载阻力。装载阻力的大小与压实区的大小有密切关系，试验表明， 压实区体积愈大，插入阻力也愈大。压实区的大小不仅与被装物料的特性( 块 度、重度等) 、料堆的高度等内在因素有关，丽且与插入深度，铲斗的几何形状 和尺寸等外部因素有关。装载阻力由装载机械产生的装载工作力克服，两者大 小相等、方向相反。由于物料性质和工作机构的工作方式不同，装载阻力有不 同的计算方法，对于借助行走牵弓| 力插入的工作机构( 如装载机) ，通常是分别 计算插入阻力和铲取阻力。插入阻力由行走牵引力克服，而铲取阻力则由装载 机的工作机构克服。 2 。4 。 。2 装载阻力计算【2 0 1 1 2 4 1 2 4 1 2 1 插入阻力的计算 插入阻力就是铲斗插入料堆时，料堆对铲斗的反作用力。压实区的形成是产 生插入阻力的重要原因，故影响压实区大小的因素也是影响插入阻力大小的因 素。试验结果表明，压实区的大小随物料的块度，容重和堆高的增长而增长， 这是引起插入阻力变化的内在因素。但在一定条件下，改变铲斗形状和视构尺 寸，以及一次插入深度等外部因素，也可使压实核心在一定范围内变化。 ( 1 ) 插入深度影响插入深度愈深，压实区体积愈大，阻力也愈大，经多 次测试得知插入阻力与插入深度的1 2 5 次方成正比。 ( 2 ) 铲斗几何形状影响试验表明，曲线形前缘的斗底，无论在何种情况 下，插入阻力都比直线形前缘的斗底小1 0 2 0 ，斗底前缘的曲率半径r 推荐为 ( 1 1 l 。2 ) b ( b 为斗底宽度) 。若斗底翦缘装上梯形截面的斗齿，可进一步降低 插入阻力。 铲斗侧壁的形状对插入阻力也有较大影响。试验表明，压实区大小随铲斗侧 壁的倾蹙增大而急剧增长，因蕊弓 起插入阻力增大。试验还证明，插入阻力随 斗底倾角的增大而增大，另外试验也表明，插入阻力随铲斗的宽度增大而增大， 敌不适当的增大铲斗宽度，并不是合理的。 综上所述，合理设计铲斗的几何形状和结构尺寸，可在一定范围内减小插入 阻力。 献上面分析可知，影噙插入阻力的因素很多，要分别计算各项阻力比较繁琐， 在工程计算中一般用系数来考虑，按下述经验公式来确定总的插入阻力。 既= i o k l k 2 l 1 2 5 b k 3 k 4 ( n ) ( 2 - 1 ) 1 2 山东大学硕士学位论文 式中k l 被铲掘物料的块度及松散程度的影响系数，对于松散好的物料， 见表2 1 i k 2 物料种类影响系数，见表2 2 ； l 铲斗一次插入料堆深度，e m ，取0 5 0 7 斗底长度； b 铲斗宽度，e m ： k 3 料堆高度影响系数，见表2 3 ； k 铲斗形状影响系数，一般在1 1 - - 1 8 之间。 表2 - 1 系数k l 块度细粒小块 3 0 0 ( r a m ) 4 0 0 ( m m ) 5 0 0 ( r a m ) 松散性不好 系数k 1 0 4 - 0 5o 7 51 o1 11 3 增大2 0 - 4 0 表2 - 2 系数k 2 矿石种类容重( t m 3 )系数k 2 锰铁矿石 4 5 4 2o 2 铁矿石 3 8 3 20 1 7 细粒花岗岩2 7 5 2 80 1 4 砂质页岩 2 6 5 2 7 50 1 2 石灰石 2 6 5o 1 0 砂砾岩2 3 2 4 5o 1 0 炉渣 0 8 o 90 0 9 泥质页岩2 4 2 5 o 0 8 河砂 1 70 0 6 煤 1 2 1 30 0 4 o 0 4 5 表2 - 3 系数k 3 堆高( m ) 0 40 6o 81 21 4 系数k 3 o 5 5o 8 01 o o1 1 01 1 5 2 4 1 2 2 铲取阻力 铲取阻力是指铲斗插入料堆一定深度后，用动臂油缸提升动臂时，料堆对铲 斗的反作用力。铲取过程就是铲斗中物料与料堆之间沿滑动线( 4 5 。+ 1 p 2 ) ( 9 为散 体物料的内摩擦角) 的剪切过程。这个剪切面积开始时最大，以后逐渐减小。铲 1 3 第二章装载橇蟋王馋s - 况及其蔓作装蓬鳃受力摸型 曼鼍i i i i 一 i i i i i i ! 皇皇曼蔓暑曼曼曼曼燃拦曼曼曼璺嬲皇量曼笪蔓曼 取阻力与物料的块度、重度、松散程度、温度、湿度、物料之间以及物料与斗壁 之阆的摩擦有关。最大铲取阻力发生在铲斗开始提搿时刻，随着动譬的提升，铲 取阻力逐渐减小。 铲斗开始提升时，铲取阻力按下式计算： w q 一2 2 l 麟b k ；( n ) ( 2 2 ) 式中l 蛐铲斗插入料堆深度，m ； b 铲斗宽度，i n ； x r 一物料单位剪切阻力，p 鑫。 磁值需通过试验测定。对于块度0 1 o 3 m 的松散的岩石，其平均值取 k t = 3 5 0 0 0p a 。 2 。4 。1 。2 。3 转斗阻力矩 当铲斗插入料堆一定深度后，用转斗油缸使铲斗向后翻转时，料堆对铲斗的 反作用力矩，瑶q 转斗阻力矩。当用铲斗翻转铲取物料时，在铲斗充分插入料堆转 斗的最初时期，若不考虑翻转角加速度，转斗静阻力矩具有最大值，用m c 表示， 此时铲斗转角a 黛0 ，其后静阻力矩随着铲斗的翻转角a 的变化而按双曲线特性 交化，一直到铲斗斗刀离开料堆坡面线为止，这时静阻力矩用m o 表示，铲斗转 角仪= a 。 ( 1 ) 开始转斗时的静阻力矩。在开始转斗时，需要克服的阻力矩m 。最大 ( 或称铲斗初始铲取静阻力矩) ，它与插入阻力之闻有如下缀数关系： m , = 1 1 卞1 - ) + y ( n - m ) ， 式中砜插入阻力，n ； l e n 插入深度，m ； x 铲斗回转中心与斗刃的水平距离，m ； y 铲斗回转中心与地面的垂直距离，m 。 ( 2 ) 铲斗总阻力矩。铲斗在料堆中翻转时，除了要克服物料所给的静阻力 矩之外，还需要克服铲斗自重的阻力矩，赦初始转斗时的总阻力矩为： m z = 魄+ g c l 器( n )q - 4 ) 式中m r 铲斗总阻力矩，n o l i i m 。初始铲斗静阻力矩，n m ； 1 4 山东大学硕士学位论文 g 。铲斗自重，n ； l b 铲斗重心到回转中心的水平距离，m 。 ( 3 ) 作用在铲斗连杆上的力。铲斗充分插入料堆后，开始转斗时，作用在 铲斗与转斗连杆铰销上的力f ：为： f z = 等 c n ) ( 2 - 5 ) 式