（材料加工工程专业论文）装载机工作装置结构分析方法研究.pdf

山东大学硕士学位论文摘要随着现代科学技术的发展，对工程机械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：在满足强度和刚度的前提下，求得最优设计爿钵文以工程机械中的装载机为例，研究有限元法在工程机械结构分析和优化中的应用。装载机广泛应用与水电、矿山，交通和建筑等部门。工作装置是装载机上直接实现铲装物料的机构，它的结构和性能都显著地影响着整机的工作尺寸、性能参数、发动机功率等等。在对装载机工作装置有限元分析及其优化的工作中，必须从实际情况出发，合理简化结构，考虑细节问题简化对整个计算结果的影响；使用合理的有限元网格对工作装置进行离散和边界拟合，建立与实际情况相符合的有限元模型。为此i ) 在对装载机工作装置结构及其受力特点进行全面详细分析的基础上，首先运用材料力学静力平衡推导了装载机工作装置各构件的受力方程，然后阐述结构弹性有限元理论基础，给出了弹性材料的基本假设及力学基本方程，介绍了线弹性有限元变分基本原理和模态分析方法及其求解过程，引入了有限元法在结构分析中的应用。丘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。其主要构件如铲斗、动臂侧板、横梁和摇臂等，都曾发生过强度损坏现象。又由于设计方法的限制，多数产品存在强度保守问题。诛文通过研究装载机装载工作过程的不同工况，选取典型工况进行分析，采用有限元方法，以m e n t a t 为建模平台，建立起与装载机工作装置实际工作状况相一致的三维有限元模型研究典型工况下有限元模型位移约束、边界载荷确定和施加并应用大型通用肴限元分软件m a r c 对该装置进行有限元分析计算，得出装载机工作装置整体应力、变形分布；通过与实验对照，验证了该有限元模型的正确性。通过模态分析，提取结构件的模态参数，可以掌握其动特性，为结构减轻振动、降低噪声、提高驾驶员的舒适性提供数据。然后以动臂框架为研究对象，运用l a n c o z s 法计算装载机工作装置动臂框架各阶振型并提取了前十阶振型。通过分析各阶振型的振动状况，找出结构的薄弱环节，判别振动产生的原因和造成的影响。摘要应用现代数学处理软件m a t h c a d ，通过曲线拟合和回归分析的方法对数据进行处理，研究曲线变化规律，得到四种优化结构。这四种结构同时满足了刚度强度要求，降低了装载机工作装置的总质量，基本上达到刚度强度的合理匹h配。太。通过研究和分析，得到结构优化数据，提出了一种新的分析设计方法，即有限元计算与回归分析相结合对结构进行优化。该方法可以作为工程机械结构分析与优化设计的参考。关键词：装载机，工作装置j 有限元淳优啖i ia b s t r a c tw i t l lt l l ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , 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 eo fe n g i n e e r i n gm a c h i n e ，s u c ha sh 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 dl o wp r o d u c t i o nc o s t o nt 1 1 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 ld e s i g ns h o u l db eo b t a i n e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es t r u c t u r eo ft h ew o r k i n gd e v i c eo fl o a d e ra n di t so p t i m a ld e s i g na r es t u d i e du s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) l o a d e rh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yd e p a r t m e n t ss u c ha sm i n e ，t r a f f i c ，c o n s t r u c t i o n ，w a t e ra n de l e c t r i c i t ya n ds oo n a st h em e c h a n i s mt h r o u g hw h i c hl o a d i n gm a t e r i a li sr e a l i z e d ，t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h ew o r k i n gd e v i c eh a v es t r i k i n ge f f e c t so nw h o l l yd i m e n s i o n ，c a p a c i t yp a r a m e t e r , e n g i n ep o w e ro fl o a d e ra n ds oo n 。i nt h es t u d yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no nw o r k i n gd e v i c e ，w es h o u l ds e to u tt h ef a c t ，s i m p l i f yt h es t r u c t u r er a t i o n a l l y , a n dt a k ei n t oa c c o u n tt h ee f f e c t so fs i m p l i f y i n gi t sd e t a i l so nw h o l ec a l c u l a t e dr e s u l t s ，u s er a t i o n a lm e s ht od i v i d ea n df i ti t sb o u n d a r y t h e nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lc a nb eb u i l ta c c o r d i n gt oi t sm a i nc h a r a c t e r s o o nt h eb a s i so fd e t a i l e da n a l y s i so ni t ss t r u c t u r a la n dl o a d i n gc h a r a c t e r ,l o a d i n ge q u a t i o i l sa r ed e r i v e df r o ms t a t i c se q u i l i b r i u m 1 1 1 e nt h eb a s i ct h e o r yo ft h ee l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o do fs t r u c t u r ei sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eb a s i ca s s u m p t i o no fe l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h eb a s i ce q u a t i o n so fe l a s t i cm e c h a n i c sa r eg i v e n t h eb a s i cv a r i a t i o np r i n c i p l ea n ds o l u t i o np r o c e d u r eo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o do fl i n e a re l a s t i ca r ei n t r o d u c e d a n dt h eu s i n go ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di ns t r u c t u r ea n a l y s i si si n d u c t e d w o r k i n gd e v i c ei so n eo ft h em a i np a r t so fl o a d e ra n do n eo ft h em a i nb e a r i n gp a r t sa l s o i nt h ep a s t ，d a m a g eh a so c c u r r e di ni t sm a i nc o m p o n e n t s ，s u c ha ss c r a p e rb u c k e t ，s i d ep l a t e s ，g i r d e r , r o c k e ra r ma n dg u ya n ds oo n b e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o no fd e s i g nm e t h o d s ，s 仃e n g t hc o n s e r v a t i v ei si t sm a i np r o b l e mi nm a n ye n g i n e e r i n gm a c h i n ep r o d u c t s w i t i it h ed e t a i l e ds t u d yo fi t sw o r k i n gp r o c e s si nd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e ，at y p i c a lc a s ei ss e l e c t e d u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a3 - df e mm o d e l i sb u i l to nt h ep l a t f o r n qo fm e n t a ta c c o r d i n gt oi t sa c t u a lo p e r a t i n gm o d e t h ed i s p l a c e m e n tc o n s t r a i n t sa n db o u n d a r yl o a d e r sa r ec o n f i r m e d u s i n gt h ea b s t r a c tc o n u n o nf e ma n a l y s i ss o f t w a r ef o rs t r u c t u r em a r c ，w o r k i n gd e v i c ei sa n a l y z e dm i n u t ei ns t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o n so fw h o l l yw o r k i n gd e v i c eo r eo b t a i n e d i nc o m p a r i s o nw i mt h er e s u l to b t a i n e db ye x p e r i m e n t t h ef e mm o d e la n dt h er e s u l to fc a l c u l a t i o na r ev e r i f i e dc o r r e c t l y t h e nt a k i n gt h ew o r k i n gf r a m ea sa no b j e c t i v eo fr e s e a r c h ，t h el a n c o z sm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h ef i s tt e nn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e si nt h em o d a la n a l y s i s t h r o u g ha n a l y z i n gt h em o d es h a p e s ，t h ei n f l u e n c eo nw o r k i n gf r a m ei sd i s c u s s e d ，w i t hw h i c ht h eu n s u b s t a n t i a lp o s i t i o nc a nb ef i n d ，t h er e a s o no fv i b r a t i o na n di t sp o t e n t i a le f f e c t so nw h o l l yd e v i c ec a nb ee s t i m a t e d u s i n gt h em o d e mm a t hp r o c e s ss o f t w a r em a t h c a d ，t h ec a l c u l a t e dd a t ac a nb ep r o c e s s e dt h r o u g hc l r v cf i t t i n ga n dr e g r e s s i o na n a l y s i s b yw a yo f r e s e a r c h i n go nt h ev a r i a t i o n1 a wo fc u r v ef i t t i n g 。f o u rk i n d so fo p t i m i z e ds t r u c t u r e sa l eo b t a l n e d t h e s es t r u c t u r e sc a nm e e tt h en e e d so ft h ew o r k i n gd e v i c es t r e n g t ha n ds t i f i n e s s 1 0 w e rt h eg r o s sw e i g h t ，a n db a s i c a l l ya t t a i nr a t i o n a lm a t c ho fs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s as a t i s f i e dr e s u l ti so b t a i n e d d a t af o ro p t i m u mo fe n g i n e e r i n gm a c h i n ea r ec o l l e c t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a tt h es a m et i m e ，an e wa n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o d t 1 1 ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a l c u l a t i o nc o m b i n e dw i t hr e g r e s s i o na n a l y s i st oo p t i m i z es t r u c t u r ei so b t a i n e d t h i sm e t h o dm a yb 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 f e n g i n e e r i n gm a c h i n e k e y w o r d s ：l o a d e rw o r k i n gd e v i c ef e mo p t i m i z a t i o ni i山东大学硕士学位论文第一章绪论随着现代科学技术的发展，对工程机械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。在对工程机械产品的设计分析中，进行结构强度分析是一个重要的环节。有限元法及其相应的分析软件的出现给工程机械进行结构强度分析提供了有力工具。有限元法与实验应力相结合应用，可以给出工程机械在工作载荷作用下的详细应力、应变分布数据，为产品结构优化设计提供可靠的依据。本文以工程机械中的装载机为例，研究有限元法在工程机械结构分析和优化中的应用。1 1 本课题的目的意义从二十世纪7 0 年代起，我国水电、矿山，交通和建筑等部门已经普遍使用装载机进行作业。通常所称的装载机是指单斗装载机，它主要用于装载和搬运松散物料，近年来研制的重型轮式装载机已广泛用于露天采矿和各种场所，用于挖掘、装载、运输和平整等作业。装载机工作装置是装载机上直接实现铲装物料的机构，它的结构和性能都显著地影响着整机的工作尺寸、性能参数、发动机功率等等l2 | _ 【”。世界上装载机的发展已经历了6 0 多年，我国装载机的制造也有4 0 多年的历史。目前我国工程机械行业正处于稳步发展的上升时期，但在性能、外观、操作舒适性、产品内在质量尤其是可靠性方面同国外工程机械相比要远比我国汽车行业同国外汽车行业相比的差距大得多【l ”。我国工程机械正处于发展的初级阶段，其设计理论还很不完善，设计手段比较落后。目前，国内设计工作装置的方法有三种：类比试凑法，优化设计法和解析法【7 】。最常用的是类比作图试凑法，这种方法盲目性很大，需要多次作图试凑，工作量很大；由于在强度设计上采用材料力学中的满应力设计，放大安全系数，使得结构臃肿，设计精度较差。有些单位也开始采用解析法和优化设计法，但使用效果并不理想，仍然未能全面解决卸料性与平移性、动力性与铲斗自动放平性之间的矛盾【3 6 i 。近年来，国内外一些厂家开始研究装载机的新型工作装置，并第一章绪论在多功能t 程机装载部分实现，如使用快速可更换联接装罱将原| t 作装胃拆换为其它装置完成多利，作业等，如斯洛伐克z t s 集团生产的u n c 6 0 型多功能工程机和泰安柴油机厂生产的z l y l 0 w 型多功能工程机等。一种由液压系统来实现的新利t 作装霄大火简化了装载机工作结构i 乜逐步定向q i 产【7 i 。丌展装载机设计理论和设计方法的研究工作，加快新产品研制开发的步伐，对于推动我国装载机牛产食业乃至整个下程机械行业的技术进步，有着十分蘑要的意义。1 2 研究现状与有限元法结构分析的应用机械中的火量零部中l ：足用米传递载荷或能量的，这些部件的强度、刚度、稳定性和破坏足设汁r f t 必须要考虑的。耋i i i 构优化设计为设计人员提供科学t 效的方法以改进设计，采月j 较少的材料或费用制造“ 具有更高强度和刚度的结构，或者1 ，省原材料的消耗，或者捉高产品质量i ”。有限元蜮一足为解决结构计卯：而挺出的，并成功地应圳与j ：程实践中。在机械与车辆结构分析中，有限元法已经作为一种常用的基本方法被广泛应用：一是在结构的设计中，对所有结构件、主要零部件的强度、刚度、稳定性分析，有限元法是一种不可臀代的工具，有着材料力学求解方法不可比拟的优点；二是机械与车辆的结构的计算机辅助设计( c a d ) 、优化设计中，有限元法作为结构分析的工具，已经成为其中主要组成部分之一；三是应用在机械结构动态分析中，普遍采用有限元法来进行各构件的模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态，迸一步计算出各构件的动态响应，较真实地描绘出动态过程，为结构的动态设计提供方便有效的工具9 1 。因此机械结构的优化设计也是往往以有限元方法作为其核心算法，通过结构优化对降低应力集中、提高结构疲劳强度、延长结构寿命是非常有效的，在机械结构设计的应用前景十分广阔1 2 9 1 1 。由于大部分机械零部件的形状都很复杂，运用材料力学或结构力学进行简单的手工分析计算是不可能解决的，必须应用有限元法及其相应的分析软件。对装载机工作装置进行分析和优化设计，截至目前，国内已经有很多人对此做过研究。如，王吉忠用有限元方法对装载机进行结构强度分析得合理计山东大学硕士学位论文! ! e ! ! s i e ! ! _ 日! ! 目! ! ! ! ! ! j 目_ _ _ - _ _ _ - _ _ _ 自! _ ! e _ e ! ! ! ! ! l e l ! l _算方法，建立其整机和部件得力学模型及建模时应注意的问题1 。耿迎元采用复数矢量法对装载机工作机构进行了运动分析，推导出了动臂和铲斗两个质心的加速度计算公式，为分析该机构举升过程各部件所受载荷的变化，提供了理论基础l 。李白贵等以应力一强度干涉理论为依据，介绍了装载阻力与动臂强度为任意分布的动臂强度可靠性设计的基本原理和方法，给出了一种实用的动臂静强度可靠性设计的近似方法8 】。邹广德等采用有限元与边界元混合求解，对装载机动臂铰点区域应力场进行了数值计算，为优化设计提供了有效数据”j 。徐跃峰等对z l 5 0 装载机工作装置进行了静态加载测试与动态实际作业测试，得出动臂上应力分布规律，并给出了动臂关键部位的应力谱，为其疲劳寿命估算提供了可靠依据。李扬民等采用基于k a n e 方程的h o u s t o n 方法，首次推导出装载机工作机构的多体动力学方程，提出了新的设计方法和观点，对于装载机工作机构动态设计有重要价值”。茅承均等对z l 4 0型装载机进行了动态设计应用分析，计算与实验的结果吻合，为装载机动态优化设计提供了较为可靠的数据【2 2 】。郑永强对装载机工作装置强度计算中的静力问题分析方法进行了研究，并采用有限元结构分析数据为基础，把设计者的经验与有限元结构分析结合起来，对装载机工作装置结构布局进行优化设计【2 3 2 “。石沛林等根据装载机的实际作业的特点，将工作装置横梁位置在可行域内移动，对动臂分别进行有限元分析，研究横梁位置对动臂强度、刚度的影响，从而确定横梁的最合理位置，使得动臂强度、刚度最好，结构设计最为合理f 2 ”。姚俊运用有限元方法及应用软件，对某型号轮式装载机摇臂进行结构静力分析，研究不同结构对工作装置的影响，确定了焊接结构钢板的合理布局，实现产品优化】。孟宪颐对装载机动臂框架的受力状况进行了分析并建立了适合有限元计算的力学模型，使之较准确的反映工作装置正载偏载工况的计算有可能在中小计算机上实现，计算结果为动臂的合理设计提供了依据：还讨论了进行动臂结构优化设计的计算模型，数值计算结果与光弹、电测试验结果进行了对照【2 7 】。丁预展研究了装载机在偏载工况下动臂强度，给出了关键点的应力值和危险截面的应力曲线【2 8 】。由于机身是弹性体，在用材料力学方法分析计算时，总是事先作出很多假设，这就造成了力学模型与实际情况存在较大差异，因而计算误差总是很大，第一章绪论而且要反映整个结构的应力分布和变形情况，材料力学的方法是无能为力的。随着计算机技术及大容量计算机的发展，有限元在结构分析上基本可以保持实际结构的本来特征和受力状态，在较少的假设和简化的基础上，建立与实际结构和受力情况吻合的有限元模型，对结构进行全面而准确的应力、变形分析。以前由于计算机的限制，对有限元模型的节点、单元数目要求比较苛刻。单元数量少，不能真实地反映构件的形状，计算结果不能真实地反映装饿的受力特点，精度降低。计算机技术的进一步发展，使得空间有限元在结构分析设计中开始应用，工程结构分析越来越多的采用有限元法。有限元法作为一种近似的数值分析方法，利用这种方法对工程结构分析基本上可以保持实际结构的本来特征和受力状态，在较少的假设前提下对工程结构迸行全面而准确的应力、变形分析。随着各种功能强大的大型通用有限元分析软件的出现，盘| ln a s t r a n 、m a r c 、a s k a 、a n s y s 、b e r s a f e 、p a f e c 、e l a s 、s y s t u s 、a d i n a 、c o s m o s 、s t a r d y n e 等，有限元分析技术已成为：r 程结构分析小不可缺少的重要方法口9 1 。目前，有限元理论和结构静、动力分析通用软件日益完善。因此，工程机减结构分析的关键是针对具体产品对象，使用合理的计算方法和建立正确的力学模型。1 3 目前存在的问题与本文工作综上所述，对装载机工作装置优化的研究，无论是静态分析还是动态计算，使用可靠性分析还是有限元方法，在确定计算模型时，都作了一定的简化和假设，有些还主动引入了人为因素。这样处理所存在的问题是：( 1 ) 只对局部进行建模，忽略了结构整体之间的关系。由于机身是弹性体，各构件之间进行能量传递时由于弹性变形会损失能量，因此，传递到各构件上的力也不会等同于通过材料力学计算所得到的力。仅仅通过材料力学计算各构件的受力而加载，忽略整体的弹性变形，在确定边界条件时，就会造成边界条件的损失或不准确。( 2 ) 在建立有限元模型时，简化和假设较多，忽略了必要的细节如螺纹孔、山东大学硕士学位论文销孔、加强筋( 板) 等。在进行有限元模型处理时，必要的简化是必须的；但如果在静力分析中，由于高应力区域中突变会引起应力集中，细节大小和形状对应力影响很大，这些细节不能忽略，否则，计算结果将不能真实地反映出结构的实际应力变形情况。处于结构低应力区的细节一般可以忽略：动力计算中，由于结构固有频率和模态振型主要取决于结构的质量分布和刚度，因此细节一般可以忽略。( 3 ) 动态及其动力学分析仅限于对所建立的数学模型的理论推导，从而忽略了各构件之间的相对关系，与装载机的实际工作情况相差较远，因而会造成计算误差增大。( 4 ) 有些设计者在进行优化分析时，仍然从自身经验的角度出发，这就不可避免的产生人为因素。从以上分析可以看出，在对装载机工作装箕有限元分析及其优化的工作中，必须从实际工况出发，合理简化装置结构：运用合理的有限元网格处理技术，考虑细节问题简化对整个装置计算结果的影响；使用合理的有限元网格对工作装置进行离散和边界拟合，建立与实际情况相符合的有限元模型。为此，本文在对装载机工作装置结构及其受力特点进行全面详细分析的基础上，建立了与装载机工作装置实际工作状况相一致的三维有限元模型。运用有限元分析方法，研究在实际情况中出现的问题，提出解决问题的办法。( 1 ) 仍然采用材料力学的经典计算方法求解各构件铰点处的受力，作为有限元求解的参考载荷。材料力学的经典计算求解是最简单的求解方式之一，它采用大量简化的方法，将各个外形复杂构件简化为杆件，在静平衡状态下求解各构件铰点处力的方向和大小。求解结果可粗略估计受力状态最为恶劣的构件，以便在有限元网格划分时作为参考。( 2 ) 利用材料力学计算结果和一些附加条件( 如发动机功率等) ，可以求得装载机工作时的外载荷。( 3 ) 根据结构的受力特点，考虑结构的细节对整体计算结果的影响，对装置进行简化，利用多种单元格式对工作装置结构进行离散，建立与实际装置一致的有限元模型。运用有限元法分析，模型的准确与否对计算结果影响很大，选择合适的单元类型可以很好地拟合结构的边界，以便建立更加准确的有限元第一章绪论模型，求得最为精确的结果。( 4 ) 将整个工作装置作为研究对象，对整个装箴施加相应的边界条件。如前所述，各个构件分别施加边界条件，不但会造成计算量增大，而且还会引起由于忽略弹性变形所造成的边界条件的损失或者不精确。要求的更为满意的结果，必须将工作装置作为整体来研究。( 5 ) 在对装置作出有限元计算之后，得到各构件在外载荷和边界约束条件之下所产生的应力变形分布，以及各构件上的危险点。分析各危险点可能造成的后果，对各构件进行变厚度分析，得出每一构件的厚度变化对整体应力变形分布所造成的影响，提出改进办法。再利用回归分析的方法对应力集中点的变化进行预测。( 6 ) 进行模态分析，求解工作装置的固有频率。为了保证装置有良好的动力性，必须避开有害振动。通对工作装置进行模态分析，提取低阶模态，分析各阶振型的振动状况，找出结构的薄弱环节，判别振动产生的原因和造成的影响。本文采用有限元方法，以m e n t a t 为建模平台，建立装载机整个工作装置的力学模型，并对其进行有限元网格离散。应用大型通用有限元分软件m a r c对该装置进行有限元分析计算，得出装载机工作装置整体应力、变形分布；通过与实验对照，确定了该有限元模型的正确性。根据分析数据对该装载机工作装置进行优化，得出优化后的各构件参数。该数据对同种结构的最优化设计有一定的指导意义。山东大学硕士学位论文i ii i第：章装载机工作装置受力计算装载机工作装置的受力分析粗略计算采取经典材料力学的计算方法，通过对工作装置结构进行一系列简化，得到相对简单的力学模型；对简化模型进行求解，即可得到各构件铰接点的载荷。本章主要介绍材料力学计算方法求解装置上的各构件受力，然后引入有限元法在结构分析中的应用。2 1 工作装置的受力分析计算【2 h 8 i 】f 3 l 】m ，研究装载机的作业过程，主要包括以下四步：插入料堆、铲掘、举升、卸料。因此，工作装置的强度计算包括：( 1 ) 确定计算位置；( 2 ) 选取工作装置受力最大的典型工况，确定外载荷；( 3 ) 对工作装置进行受力分析；( 4 ) 对主要零部件进行强度计算。2 1 1 工作装置计算位置装载机作业工况不同，对工作装置的作用力也不同。在进行工作装置强度计算时，应选择受力最大的计算位置及相应计算条件。分析装载机的作业过程，可知装载机在水平位胃上铲掘物料时工作装置受力最大，因此取装载机在水平面上作业，铲斗斗底与地面夹角位3 。5 。铲掘时作为计算位置，假设外载荷作用在切削刃上，并以此时载荷为根据进行零部件强度计算。2 1 2 工作装置典型工况及外载荷在铲掘过程工作装置受力最大的有以下三种情况：( 1 ) 装载机沿水平面运动，工作装置油缸闭锁，铲斗插入料堆，此时认为铲斗只受水平插入阻力的作用。( 2 ) 铲斗水平插入料堆后，装载机停止运动，向后转斗或者举升动臂，此时认为铲斗刃只受垂直掘起阻力。( 3 ) 装载机在水平面上匀速运动，铲斗水平插入料堆一定深度后，边插入边转斗或边插入边举升动臂，此时认为铲斗刃上同时作用水平阻力和垂直阻第二章装载机工作装置受力计算力。作用在铲斗刃上的外载荷可简化分为两种情况：( 1 ) 对称载荷：外载荷沿切削刃均匀分布，计算时可用一一个作用在斗刃中部的集中力来代替。( 2 ) 偏心载荷：由于铲斗偏铲货物料的不均匀性而使物料对铲斗的载荷不均匀分布，形成偏载情况。取其极端的情况，并假设其作用在斗边缘的齿间。为了简化计算，又考虑到外载荷本身的计算误差就较大，所以往往采取按正载时边插入边转斗一即插入阻力和铲取阻力均作用在铲斗切削刃中央的工况进行强度计算，而用放大安全系数来处理偏载的影响。另外，由于插入阻力对工作装置强度的影响相对于铲取阻力的影响要小的多，特别是那种载插入时动臂支撑载前车架上的结构更是如此。因此，不管是正载联合铲装还是偏载联合铲装，可以简化为正载铲取和偏载铲取，而把插入阻力的影响放在安全系数中考虑。2 1 3 外载荷的计算如图2 1 所示，装载机铲装工作时，斗尖上可能产生的最大( 极限) 阻力和最大( 极限) 铲取阻力分别为f 。和民。图2 - 1 工作装置受力简图( 1 ) 最，k 插入阻力计算f 。受限于装载机的最大牵引力f 。，即：f | ，= f d = c o v( 2 - 1 )山东大学硕士学位论文式中，g 。装载机主动行走轮轴上所受的真力， g 。 为n ；v 轮胎对地面的附着系数。由于最大牵引力f 。又受限于装载机的行走传动系统传递到轮胎的功率和行驶速度，即：! 逝s 只，( 2 2 )1 0 0 0 一。式中，p 。装载机轮边功率， p 。 为k wv ，。装载机插入料堆时的行走速度，一般取o 3 0 8 ， v 。 为m s 。所以，若上式成立，则取：f 。= 只= g 。妒如上式不成立，则取：l o o o e ov i ng 。和p 。值在整机参数初步设计时已经确定。若尚未确定，可运用阻力计算式进行初算，最大插入深度可取铲斗前臂长的0 6 0 7 倍。( 2 ) 最大铲取阻力f 。的计算f ；。可用铲取时最大转斗阻力矩换算求得。最大转斗阻力矩发生在开始转斗时的一瞬间，其值可用下列经验公式计算：m m a x = 1 1 巴m 卜弘1 一) “c z 圳式中l 。铲斗插入料堆得最大深度，【l c 。j 为m 。x 、y 铲斗斗尖到回转轴g 得水平和垂直距离， x 和【y 】单位为i t i 。则有：瓦：了m m a x( 2 4 )在初步设计时，f 。可用整机参数初步设计所确定的最大铲取力代替。由于f 。的最大值受限于整机的纵向稳定性，所以它的取值不能超过机器纵向极限倾覆力f 。，即：瓦= 警( 2 5 )式中，e 装载机整机重力，【g 为n 。l ：整机重心至前桥轴线的水平距离， 1 ： 为m 。第二章装载机工作装置受力计算1 f 。作用点至前桥轴线的水平距离， 1 】 为m 。当f ；。 f 。时，装载机将发生纵向倾斜现象，正常的装载机工作即被破坏。显然，由于工作装置的最大铲取力f 。o 是用来克服f 。的，当设计f 。o 时，其值切不可随意或盲目加大。因为如果超过f 。的能力过多，结果是，名义上f 。h 0很大，实际上根本发挥不出来，反而造成材料和功率储备过大，造成浪费。当采用边插入边转斗铲取作为强度计算工况时，若取定的装载机功率允许f 。和f 。的极限值都能完全发挥的话，则取它们的极限值作为外载荷；若整机功率主要是依据装载机的牵引和运输工况所需的最大功率所确定时，则考虑由于f 。对强度影响较大，可取其最大值作为斗尖处垂直外载荷，而f 。的值应有整机功率扣除了克服工作机构所消耗的功率之后的剩余功率来决定。2 1 4 工作装置各构件受力分析反转六连杆机构是一个受力比较复杂的空间超静定杆系，精确计算十分繁杂，为此，对其首先作一些假设，使问题得到合理的简化。假设：认为- - n 的动臂、摇臂、连杆、转斗油缸以及举臂油缸等各连杆的轴线在同一平面内，从而可以忽略铰座反力所产生的附加扭转。假设二：认为动臂与铲斗、动臂与连杆、举臂油缸和动臂、转斗油缸和举臂油缸分别与机架等处的连接均为铰接，为免扭结构；认为动臂与机架的联接为固定铰接，扭转为刚性，即能承受扭转。假设三：因为左右举臂油缸相互连通，所以对动臂反力相等。假设四：工作机构为低速机构，动载荷影响较小，可在安全系数中考虑，而计算按静载荷进行。假设五：忽略机构自重影响。根据以上假设，当计算工况和外载荷确定以后，便可运用解析法或图解法求出各构件受力。如图2 2 所示，把一侧工作机构解体，分解成铲斗、连杆、摇臂、动臂、转斗油缸及举臂油缸等的分离体。山东大学硕士学位论文图2 - 2 正载联合作业工况受力( 1 ) 正载边插入边铲取工况时受力分析由于载荷是对称的动臂的联结横梁不起作用，所以可当作静定杆系，并且可以只取工作机构的- n 进行受力分析。ff在铲斗尖处，取外力c = 等和= 竿。zz连杆、转斗油缸和举臂油缸可视为二力杆。应用平面力系平衡原理，从铲斗开始，逐个对分离体进行计算，即可求得a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 和m 等铰点处的约束反力。( 2 ) 偏载边插入边铲取工况时受力分析当偏载联台铲装时，假设f 。和f 。同时偏向一侧，它们共同作用于距铲斗侧壁1 0 0 r a m 并由切削刃向里1 0 0 m m 的地方。由于动臂连接横梁的存在，再根据假设二，此时工作机构为典型的静不定系统。为解此系统，可采用力的作用叠加法，把偏载联合铲取工况的受力分析，用正载联合铲取受力分析和整个动臂架所受的偏载而引起的整体扭转受力分析的合成来表示。如图2 3 所示，k k7 为动臂的刚性联结横梁，并假设只有一根。正载联合铲取受力分析如前所述，下面进行动臂框架扭转分析。第二章装载机工作装置受力计算由上图可知，扭转分析模型为一h 形双臂悬臂梁，外载荷为作用在g 点和g 图2 - 3 偏载工况的处理f = t h点处的两对反对称力，即只= 昙民水平力对与= 昙l 垂直力对。为了简化运算，如下图所示，选取直角坐标系x g y ，g 为原点，将动臂简化为直线，即把a 、k ( 横梁与动臂的连接点) 、g三点都看在x 轴上。见图2 4 ，先分别求出f 。和f ，在x 和 ，轴上的投影之和，。因为x ，方向分量之和f 。为轴向力，对扭转影响较小，所以可以忽略，而只取方向分量之和f 。为外载荷。求出外载荷r 之后，即可对扭转模型进行扭转受力分析，步骤如下：图2 4 动臂的简化( 1 ) 将动臂架解体为横梁i 、左右动臂i i 和i i i 三个部分。各构件受力如图2 5 所示。( 2 ) 横梁i 变形计算动臂架受垂直力偶作用后，横梁i 将产生如图2 5 所示的变形，其两端点k 和k 的相对挠度为8 。其值可用梁变形的解析法求得。如图2 - 6 所示，对k 点取矩有：2 m f 。a = 0( 2 6 )，斗，露一爱一蜀锻，。棼gy 、i焙k 盐培鑫f 。l j i _ 一一图2 - 5 动臂扭转受力分析，图2 6 横梁挠度计算图所以有：m ：0 5 f 。a( 2 - 7 )。点出的弯矩为：m ，= m f k ( a x )( 2 8 )其中：f r k 点的垂直反力；m 横梁i 的弯矩，动臂i i 和i i i 的扭矩：t 一横梁i 的扭矩，动臂i i 和i l l 的弯矩：f 。一a 点的垂直反力。由上式可得：m ，：又( x 一昙)( 2 _ 9 )则x 点出的截面旋转角为：仆一古m ，c( 2 - 1 0 )代入h l ，并积分，则得：”一苦( 等一等) + cp 因为在。：o 处，动臂i i i 为扭转变形，其扭转角与横梁旋转角相等，所以有：第二章装载机工作装置受力计算忙a 训f x 2 - , 一才瓦a b( 2 - 1 2 )将上两式求解可得：”卜畿。若暑凡陋聊而x 点处横梁截面挠度为：万。= i 护，d x + c7( 2 - 1 4 )代入o 。并积分，则有：沪南甜羲聃c 7p 四因为在x = 0 处，横梁挠度6 。- - - 0 ，所以c = 0 ，则k 点相对于k 点得挠度，即x = a 处的横梁挠度为：s 。= ( 击+ 赫卜式中e ，横梁材料抗拉弹性模量；j ，横梁弯曲截面惯性矩；o ，动臂i 或i i 的剪切弹性模量；j 。，动臂i 或i i 的扭转截面极贯矩。( 3 ) 动臂1 1 年o l l i 的变形计算因为变形是对称的，所以只计算一个动臂即可，下面以动臂i i 为计算对象。如图2 7 所示，动臂受力f 。作用后，k 点的挠度6 可如下计算：对a 7 点取矩有：f k b + t f g l = 0( 2 2 0 )当x b 时，动臂k a 7 段各截面弯矩由下式计算：m x 2 ( f g f k ) xf 2 - 1 6 )y 7jx 7rf = f f t一6 l ! 呈 二夕心置7b一。一l图2 - 7 动臂截面弯矩f 2 1 7 )山东大学硕士学位论文! ! ! ! 墨! ! ! ! ! ! 皇詈曼暑邕詈曼霉皇兰詈曼暑詈篁詈量墨詈兰皇量置兰詈目舞墨则x 点处截面旋转角为：o ，一六f m ，虮c ( 2 - 1 8 )代入m 。并积分，得：盱一警x2 + c( 2 - 1 9 )因为在x = b 处，横梁i 为扭转变形，其扭转角与动臂1 i 此处旋转角相等，且| je 6 = 一f 2 c j e - 2 t ，f 2 xb2 + c = 2 g t l a ，。l( 2 _ 2 。)o2 e ，t ，2 g ，。所以：c ：f 6 - & b2 + 生f 2 2 1 )2 e j 22 g t jp i联立可解得：6 ，= 一盟2 e 2 j 2 筹6 2 + 丽t a( 2 _ 2 2 )而x 点处的截面挠度为：8 。= f e ，d x + c( 2 2 3 )代入0 。并积分，则：p 一等6 ej 等2 en 去2 g j 卜陋z 。，。22i2 j 2p lj因为x = 0 处6 。，= o ，所以u = 0 ，则x = b 处，即k 点处动臂i i 的挠度为：6。=箭63+丽abt3ej( 2 - 2 5 )。，2 g 1 ，。1式中e 2 动臂l i 的材料抗拉弹性模量；j ：动臂i i 的弯曲截面惯性矩：g ，横梁i 的材料剪切弹性模量；j 。，横梁i 的扭转截面极惯矩。第二章装载机工作装置受力计算( 4 ) f 。力的计算7因为6 。是k 点相对于a 的挠度，而6 。为k 点和k 7 点分别相对于a 点与a 7 点的挠度之和，所以必有下式成立：6 ，, - - 26h( 2 - 2 6 )即： 南+ 舞卜掣n 嚣陆z ，由以上各式可以解得：f 堕+ 丛1 最，l g i j p l3 e 2 j 2j 。心2 7 i f 矿可1 2 e l j l2 g 2 j 口2g l j p l3 e 2 j 2当已矢r 力f 。后，由上式可以求得f k ；而m 和t 值也已经求得有了这些夕，和力矩，便可以求得动臂和横梁的变形与应力。2 1 5 强度计算f 2 2 8 )f a = f o - f k 。计算：j 法有两种：一是初步给出危险截面的形状和尺寸，然后对其进行强度校核，金验其安全系数是否合理；另一种是先给定安全系数，算出许用应力，再运用有关强度公式，设计出满足许用应力的截面形状和尺寸。这两种方法都可采用。2 1 5 1 功臂强度计算动增是工作机构中最重要的部件，它受力复杂，自重较大。国内外装载机的动臂邰有发生过动臂破坏现象，这也是本课题研究的意义所在。破坏较多的部位是：举臂油缸与动臂铰接点处；横梁与动臂焊接处( 包括焊缝处和动臂在此部位的截面处) 。电测和光弹试验也证明此三处的应力较大。因此，初步设计时，可选这三处为危险截面，然后对其进行强度校核。因为这三处截面都为弯扭组合变形，所以采用的计算方法是：先计算出偏载情况下截面处的弯曲应力、j ：应力以及扭转应力，然后运用第四强度理论的强度条件进行校核，即：山东大学硕士学位论文詈詈詈詈皇詈皇皇毫詈詈邕皇自皇皇皇皇皇皇鲁兰皇! 皇皇兰篁兰詈! 詈皇皇詈詈曼詈皇置曼鼍量蔓皇兽奠e _ l 詈皇| _ _ i i _