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挖掘机铲斗强度分析

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/20     浏览次数:    
    挖掘机铲斗强度分析
    邓子龙,高财,禄付越
    摘要:以WY100C液压挖掘机(斗容量为1m3)为样机,对挖掘机反铲工作装置——铲斗应用Pro/E建立实体模型,并应用Pro/MECHANICA模块对挖掘机铲斗的设计模型在受最大应力的危险工况下进行有限元强度分析。分析结果表明,挖掘机铲斗的前部斗齿、斗后壁耳板的根部、铰接处和补强区域是最危险的部分,设计时应重点考虑其强度要求,其它部分相对较安全。挖掘机反铲工作装置-铲斗的强度分析为铲斗的设计及改善铲斗的性能提供了理论依据。
    关键词:液压挖掘机;Pro/E;铲斗;有限元分析;强度分析

    液压挖掘机是工程机械的主要产品之一,具有较高的技术含量,它被广泛应用于矿山开采、道路施工、国防建设、农用水利等基本建设之中。铲斗是挖掘机工作装置(铲斗、斗杆、动臂)3大部件之一,是主要承载件[1]。在挖掘过程中,铲斗直接承受很大外力,铲斗与矿岩的接触滑移,造成铲斗激烈的磨损。作业环境的状况也对铲斗的强度和变形在一定程度上造成很大影响。因此,铲斗结构性能的好坏对挖掘机工作的影响非常重要[2]。目前,在国内液压挖掘机设计中,对斗杆和动臂的应力分布进行分析较多,而对铲斗的应力分布规律研究得较少。本文结合WY100C挖掘机的实际作业工况,对挖掘机铲斗在受力最大的典型工况下挖掘时进行强度分析和变形分析,为挖掘机铲斗设计提供理论依据。

    1。强度分析模型的建立
    (1.1)。。。分析方案及条件利用有限元进行强度分析的过程是:①前处理建立几何模型,将几何模型理想化,施加材料参数和载荷约束条件,进行网格划分;②通过软件进行有限元分析计算;③后处理,将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示,也可将结果以图、表、曲线形式显示或输出[3-4]。使用Pro/MECHANICA模块,可以将几何模型转换成有限元模型进行分析求解,并以图形方式显示分析结果首先,在Pro/E模块中对铲斗进行三维造型其次以铲斗受力最大的工况,计算出有限元强度分析的载荷数据,最后应用Pro/MECHANICA模块对铲斗进行强度分析。
    (1.2)。。。有限元分析模型的建立根据已知的尺寸数据,在Pro/E中进行挖掘机的铲斗三维实体造型,为方便划分网格,在对结果不产生影响的情况下,对结构和模型进行简化,分析所用的实体模型如图1所示。
    图1铲斗三维模型
    (1.3)。。。材料条件的确定挖掘机铲斗两侧板采用的材料是其它部分所采用的是16Mn。采用主要是为了耐磨和抗疲劳,根据以往经验可知,危险位置不在侧壁,因此分析时整体采用。20CrMnMo的各项性能指标均优于所以这样不但不影响分析结果,还简化了分析过程。
    材料具体性能参数见表1。
    表1材料性能参数性能参数杨氏模量/(N·泊松比屈服强度/(N·抗拉强度/(N·密度/(kg·m-3)7.85×1097.90×(1.4)。。。载荷计算对挖掘机铲斗进行强度分析时,分析采用的工况必须是有限元模型受力最大的危险工况[5]。根据挖掘机的连接情况,使用模块对其进行动力学分析,利用模块的运动仿真功能,模拟铲斗的运动情况,求出了铲斗受力最大的工况。
    铲斗的受力主要是挖掘力、铲斗内土的重力和铲斗自身的重力。铲斗的挖掘力可以采用的运动分析模块,对铲斗进行动力学分析,计算出各个状态下的铲斗挖掘力的受力情况,并输出铲斗受力图表。分析发现,铲斗受力最大发生在动臂处在最低位置,动臂缸全缩斗杆缸作用力最大。用铲斗油缸进行挖掘时[6],斗齿尖、斗齿尖与斗杆交点和斗杆与动臂交点三点成一直线,斗杆油缸与斗杆尾部之间的夹角为90°,铲斗的具体受力数值为:水平受力为83074.6N,竖直受力为49656.6N,重力为9039.27N(重力加速度取9800mm/s2)。
    (1.5)。。。网格划分有限元分析很重要的一步就是对模型进行有限元网格划分。进入Pro/MECHANICA模块,建立挖掘机铲斗的有限元网格模型,其中包括:单元类型、材料属性,对铲斗三维实体模型进行简化处理选用四面体单元进行网格划分,从运算时间和精度上考虑,以网格全局单元尺寸最大175mm、最小进行自动网格划分,从而生成铲斗有限元网格模型。铲斗有限元网格模型有8021个实体单元如图2所示。
    图2铲斗有限元网格模型
    (1.6)。。。加载荷和确定约束条件根据Pro/MECHANICA模块分析可知,以挖掘机铲斗最大受力状态作为强度分析工况,即假设铲斗的4个销孔固定。挖掘机铲斗主要承受的力是挖掘力水平分力与竖直分力的合力、侧向力和重力侧向水平挖掘力侧向力影响不大,在这里忽略不计。

    对铲斗施加的约束和载荷,建立铲斗的有限元分析模型[7],如图3所示。


    2。有限元强度分析

    结果完成了有限元分析的一系列前处理工作(准备模型、添加载荷、指定边界条件、划分网格、编辑网格属性、优化设置)之后进行计算,分析结果见表2。

    为了更加直观形象地将铲斗的强度分析结果表现出来,通过Pro/MECHANICA分析模块的后处理程序,绘制出铲斗强度分析的应力云图如图4所示,位移云图如图5所示[8]。

    图4铲斗强度分析应力云图图5铲斗强度分析位移云图


    3。铲斗强度校核及结果分析
    (3.1)。。。强度校核强度校核条件σ]=σlim/[S]>σ铲斗经有限元强度分析的应力如下σcamax=222.9N/mm2<[σ从强度校核计算可知,[σ]>σcamax,铲斗具有足够的设计强度。铲斗的变形很小,最大位移量为。总的来说,斗体前部斗齿、斗后壁耳板的根部、铰接处和补强区域受到的应力较大,但都低于许用应力,其它部位所受应力较小,大部分都低于。
    (3.2)。。。结果分析斗后壁的加强筋板是增加铲斗刚度和提高铲斗强度的关键,它不但可以大大降低斗后壁应力而且可以化解应力集中,极大地提高了铲斗抗偏载、抗超载的能力。
    斗体前部的斗唇部件和两侧的加强筋板对改善铲斗的挖掘性能和提高斗体的强度都起到了不可替代的作用。
    铲斗后壁耳板比其它部位的钢板厚,从而提高了铰接部位抗交变复杂应力和磨损的能力。
    作业设备主体在挖掘过程中具有柔性,可以缓解力的作用,设备实际更偏于安全。
    以上计算是在铲斗简化了的模型上进行的。简化模型与实物相比,简化模型比较弱,因此铲斗的实际强度还有盈余[10];计算结果是受应力最大的典型工况,既有它的特殊性,也有代表性;在此计算模型中没有考虑焊缝的影响。在实际情况中良好的质量焊缝能够减小应力集中,即实际结构中的最大应力应低于计算值;另外,由于网格划分的精确程度不同,其计算精度存在一定的偏差,但是不影响对铲斗整体强度分析的结果,完全可以供设计参考。
    通过使用Pro/E对WY100C挖掘机铲斗进行有限元分析,可以看出,有限元分析的主要工作是数据准备和分析运算结果。建立正确的有限元分析模型(几何模型、材料参数、边界条件和载荷条件)才能运算出正确的结果,根据对运算结果的分析,不断发现产品设计中存在的问题,以此为依据对产品结构进行改进,为以后挖掘机设计和开发提供依据。
    几甚至几十千帕急剧下降到零;弯管处出现了自外向内的压强坡降,符合弯道流体流动特性;稳流器在喷头中起到了减缓压力变化的作用,其中在图中表现得比较明显。图4(b)中弯管至喷管过渡段压力变化平缓,压降最小,说明此稳流器最好。图4(d)为没有安装稳流器的喷头流道压力等值线图,从图中可以看出弯管处产生的局部压力梯度面积较大,且压力值分布不均匀,说明该喷头喷管入口处紊流程度很大。
    在其他工作压力下进行同样的模拟分析,会得到类似的仿真结果。由以上结果分析可知,为使中压摇臂式喷头内部水流得到充分发展,喷管内应安装稳流器。并且通过比较分析,可知安装筋片形稳流器的摇臂式喷头内部压力损失最小,流道结构最好。通过ANSYS/FLOTRAN仿真模拟分析,可视了喷头内流场的形貌,减少了试验次数,从而可以快速、科学地根据流场参量的变化来优化喷头流道的结构,将为低能耗摇臂式喷头的快速、低成本开发提供参考依据。


本文由 筛分破碎铲斗 整理编辑。

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