矿用小型防爆全液压装载机铲取过程中的载荷分析

矿用小型防爆全液压装载机铲取过程中的载荷分析

在整个切割过程中，支撑臂的负载不断变化，这受到材料特征、料堆形状、挡架几何形状、操作模式等因素的影响。对驱动缸载荷在整个铲取过程中的动态分析,是装载机工作装置参数确定和强度校核的前提,也是液压系统元件选型、设计以及工作特性分析的依据。本文是以碎煤为铲取对象,对本院所研制的矿用小型防爆全液压装载机在特定工况、特定铲取轨迹下工作装置驱动缸的载荷计算。1基于机械机构和垂直摩擦阻力的计算铲取过程中物料的变化是十分复杂的物理现象,根据散体力学和相关文献,当铲斗铲取小粒径物料时,会在铲斗刃的前方产生密实核Q5Q3,并出现2个滑移面I—I、II—II,从而产生2个滑移体A′FO5Q2Q1(其面积可近似等于ABO5Q2的面积)和O5Q2Q4Q3(见图1)。在铲取过程中,可以将铲斗所受的阻力等效为作用于铲斗底部沿水平方向的集中力Rx和沿垂直方向的集中力Ry,Rx、Ry分别由2个滑移体的重力和侧面摩擦力综合决定。以铲斗为研究对象,其外在表现形式为物料作用于斗底的力、密实核作用于斗尖的力以及密实核与斗尖的摩擦阻力的综合影响。由于铲取过程中2个滑移体的重力和侧面摩擦力都不断发生变化,所以Rx和Ry也时刻变化。根据文献的计算方法,通过编制计算机程序可得本装载机铲斗所受的水平阻力Rx和垂直阻力Ry(见图2)。Rx、Ry作用点从开始铲取到离开料堆是不断变化的,从离斗尖(1/3～1/4)LC处向斗后壁移动,直至(0.4～0.5)LC处。LC为铲斗的插入深度。在本文计算过程中,设定作用点是匀速移动的。2在对工作装置进行受力分析时,假定:(1)载荷为对称载荷,即外载荷沿切削刃均匀分布,计算时可用在斗刃中部的集中力来代替。(2)装载加速度较低,不考虑惯性力,系统仅存在静力作用。本机的工作装置为反转六连杆机构(见图3),且整个机构具有纵向对称性,在计算时可将空间力系简化为过对称中心的平面力系。如图3所示建立直角坐标系,把举升液压缸、转斗液压缸、连杆O6O9看成是方向已知的二力杆,分别对大臂、摇臂、铲斗进行受力分析(见图4、图5、图6)。建立由未知力系数矩阵、未知力矩阵、已知力矩阵构成的关于整个工作装置的力及力矩平衡的矩阵方程。⎡⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢10y00000000100000002cosγ2sinγ2(cosγy3−sinγx3)000000000cosθsinθcosθy10−sinθx10000−10−y400010y40−1x400001−x4000−cosα−sinαsinαx9−cosαy9cosαsinαcosαy6−sinαx6−10−y710y70000−1x701−x7000⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎡⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢R0xR0yR1R2R4xR4yR6R7xR7y⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥[102cosγ0-100-10012sinγ00-100-1y002(cosγy3-sinγx3)0-y4x40-y7x7000cosθ00-cosα10000sinθ00-sinα01000cosθy10-sinθx1000sinαx9-cosαy9y7-x7000010cosα00000001sinα000000y4-x4cosαy6-sinαx600][R0xR0yR1R2R4xR4yR6R7xR7y]当铲斗在料堆中时:Rx、Ry存在,GW不存在[WF]=[0Gdb-GdbxGdb000RxGcd+Ry-GcdxGcd+RxyR-RyxR]T当铲斗离开料堆后:GW存在,Rx、Ry不存在[WF]=[0Gdb-GdbxGdb0000Gcd+RW-GcdxGcd-GWxGW]T式中γ=arctg[(y3-y1)/(x3-x1)]Qdb——大臂的自重God——铲斗的自重GW——铲斗离开料堆后标准斗容下煤的自重(可近似认为煤的自重和几何形状是不变的)当x2≤x10时:θ=arctg[(y10-y2)/(x10-x2)];当x2>x10时:θ=π+arctg[(y10-y2)/(x10-x2)];当x9≤x6时:α=arctg[(y6-y9)/(x6-x9)];当x9>x6时:α=π+arctg[(y6-y9)/(x6-x9)]。3举升缸载荷的计算通过编程分别对装载机的2种铲取方式((1)先翻转铲斗,再进行举升(图7);(2)边翻转铲斗,边进行举升(图8))进行运动仿真,得出工作装置各部件在铲取过程中每一时刻的精确位置。在此基础上通过求解上述矩阵方程,即可得出举升缸的载荷R1和转斗缸的载荷R2的变化情况(见图9)。由计算可知举升缸的最大载荷R1为91.5kN,转斗缸的最大载荷R2为59.6kN。当铲斗离开料堆时,举升缸的载荷R1下降到14kN左右,转斗缸的载荷R2下降到4.6kN左右。当铲斗在料堆中时举升缸和转斗缸的最大载荷远远大于离开料堆时的载荷,maxR1和maxR2分别是离开料堆时的6.5倍和13倍。其中R2变为负值,表示转斗缸由承受压力变为承受拉力。4载荷的变化本文对装载机的整个铲取过程进行了详细的分析,得出了举升缸和转斗缸的载荷在不同铲取方式下的变化情况。从图上可以看到,当铲斗处于料堆中时2缸的载荷变化幅度很大,离开料堆后2缸的载荷变化比较平稳,这是由于在料堆中2缸的载荷主要是由于被铲物料滑移体侧面面积的变化引起的,而离开料堆后2缸的载荷主要是