PROE用户精英大会-论文汇集heavy4.pdf

PTC用户精英大会2002 2002年7月18 19日 海南博鳌 应用Pro MECHANICA提高装载机工作装置的设计水平 厦工股份有限公司 龚勇 装载机是一种用途较广的施工机械广泛应用于建筑公路矿山及国防工程中 对加快工程速度保证工程质量降低工程成本具有重要作用因此近几年来 装载机品种和产量都得到了迅猛发展已成为了工程机械的主导产品之一而工 作装置是完成铲装运卸等作业并带有液压缸的空间多杆机构工作装置设 计水平的高低直接影响装载机作业性能的好坏进而影响整机工作效率过去 基本上沿用类比法进行设计工作繁琐设计精度低周期长且不易获得各项 性能指标都比较满意的设计方案随着 Pro MECHANICA 在我公司的应用使 得我公司装载机工作装置的设计水平上了一个档次解决许多技术上的难题提 高厦工牌装载机的市场竞争能力这里举一个 Pro MECHANICA在 ZL50 装载机 设计中应用的成功事例精确求解装载机动臂的应力从而减少材料用量降低 产品成本 动臂是装载机工作装置最重要的构件其强度状况对工作装置的性能和寿命有直 接的影响在装载机的实际工作过程中铲斗经常受偏载作用此时工作装置除 承受正载外还要受附加弯矩作用从而导致铲斗和动臂的变形在极限偏载作 用下该变形对动臂的强度和刚度起决定性影响如设计不当将导致工作装置 刚度不足很快失效随着三维结构分析软件的应用使得强度计算的精度大为 提高但由于工作装置是一个受力比较复杂的空间力学系统使用常规方法难以 求出动臂各铰孔受力的大小及方向一般的三维结构分析软件在处理空间力学系 统问题时施加于模型上载荷的大小及方向常常人为地简化求得存在一定的误 差本文应用 Pro MECHANICA 软件的 MOTION 和 STRUCTURE 模块能很 好地解决上述问题通过应用该软件的 MOTION 模块建立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再把该作用力传送到 STRUCTURE 模块作为动臂力学模型的载荷来进行动臂的强度分析从而精确求解出偏载工 况下装载机动臂的应力为工作装置的设计提供了科学的依据 根据文献 3以转斗掘起偏载工况作为动臂强度计算工况计算动臂的应力 一计算载荷工况 当装载机处于转斗掘起偏载工况时铲斗插入料堆转斗缸工作动臂缸闭 锁偏载为集中载荷作用于距斗刃尖和铲斗内侧壁各 100mm 处如图 1 所示 图 1 ZL50 装载机的基本参数 操作重量 17 5t 额定功率 158kW 额定载荷 5t 根据整机纵向稳定性条件作用于铲斗上最大的垂直载荷 N L 1L G 105kN 1 式中G装载机操作重量 L1整机重心离前桥中心水平距离 L载荷 N 离前桥中心水平距离 以工作装置为分析对象分别取铲斗拉杆摇臂为隔离体得转斗缸的作 用力为 P 4L 2L 5L 3L N 251 1kN 2 式中L2摇臂中铰孔中心线到转斗缸中心线垂直距离 L3摇臂中铰孔中心线到拉杆中心线垂直距离 L4铲斗下铰孔中心线到拉杆中心线垂直距离 L5载荷 N 到铲斗下铰孔中心线垂直距离 二建立工作装置运动学模型 首先在 Pro ENGINEER 中建立工作装置各部件的三维立体模型以动臂 处于最低位置铲斗斗底与地面成 5倾角的计算位置把各部件组装成装 配件并将该装配件链接入 Pro MECHANICA的 MOTION 模块 1材料的确定各部件均为 16Mn 2载荷的确定转斗缸处施加一主动力P 251 1kN 两动臂缸处施加大阻尼模拟动臂缸闭锁 铲斗内侧壁 100mm处施加大阻尼模拟偏载 工作装置各部件的重力 3各部件之间建立相应的连接副并消除过约束如图 2 所示 对上述运动学模型进行运算求解计算出各销轴所受支座反力的大 小及方向应用 Pro MECHANICA 软件的功能把计算结果从 MOTION 模块传送到 STRUCTURE模块 图 2 三建立动臂强度分析力学模型 在 Pro ENGINEER中打开动臂三维立体模型图并将它链接入 Structure 模块 1材料的确定动臂的材料为16Mn 2载荷的确定在横梁与摇臂的铰孔动臂与铲斗的铰孔处施加载荷 其大小及方向由 Motion模块传入 3约束的确定动臂与车架处只允许相对转动约束其它自由度 动臂与动臂缸铰孔处约束动臂沿动臂缸中心线方向的移动 4单元网格的生成用实体 Solid 生成单元网格根据Pro MECHANICA 软件前处理模块的自动生成方法以动臂的三维立体模型为基础加以处 理离散后动臂强度分析力学模型共有 节点Points 1125 边Edges 5392 面Faces 7425 实体元Solids 3164 5分析把动臂定义为静力学static分析模型并进行分析计算 四运算结果 以动臂应力分布云图为输出结果如图 3 所示 五结论 1应用新型的设计方法能较好地解决复杂的空间力学问题 2在极限偏载作用下动臂应力危险区出现在受偏载侧该侧动臂板上 表面受拉下表面受压其应力值约在 200 250MPa 之间动臂其余 部分应力值约在 100MPa 左右符合设计要求且有足够的强度储备 3该动臂具有良好的刚性横梁面积较大足以承受极限偏载所产生的扭 矩 4经装载机静强度试验验证了本次建模的正确性和计算结果的可靠性 图 3 六经济效益 ZL50 装载机动臂板厚度最早是按照传统的材料力学方法进行计算确定所 取动臂板厚为 50mm强度有较大储备后经 Pro MECHANICA重新计算求 得板厚为 46 即可满足设计要求动臂板的材料为 16Mn市场价约 3000 元 吨动臂板原设计重量为 730kg改进后重量为 670kg每台车节约 16Mn 钢 60kg我公司年产约 2000 台 ZL50 装载机仅材料费一项每年为公司 节约 3000X0 06X2000 360000元 此举不仅大大降低了产品的成本而且由于动臂重量的减轻提高了的作业 效率增强该产品在市场上的竞争力 同时Pro MECHANICA 在 ZL50 装载机设计中的成功应用为我公司其它 机型的设计树立了良好的榜样在后来进行 ZL36 和 ZL60 工作装置的设计 过程中MOTION 用于运动性能分析及干涉检查STRUCTURE 用于强度 校核产 品 的 设 计 时 间 由 原 来 的 三 个 月 减 少 为 一 个 半 月由 于 Pro MECHANICA 的应用使得所设计出来的产品质量大为提高样机试制 一次成功不仅降低了试制费用而且极大地缩短新产品的开发周期为厦 工公司实现经营策略抢占市场先机创造了必要条件 参 考 文 献 1PTC Pro MECHANICA DESI