挖掘機鏟斗強度分析
    鄧子龍，高財，祿付越
    摘要：以WY100C液壓挖掘機(斗容量為1m3)為樣機,對挖掘機反鏟工作裝置——鏟斗應用Pro/E建立實體模型,并應用Pro/MECHANICA模塊對挖掘機鏟斗的設計模型在受較大應力的危險工況下進行有限元強度分析。分析結果表明,挖掘機鏟斗的前部斗齒、斗后壁耳板的根部、鉸接處和補強區域是較危險的部分,設計時應重點考慮其強度要求,其它部分相對較安全。挖掘機反鏟工作裝置-鏟斗的強度分析為鏟斗的設計及改善鏟斗的性能提供了理論依據。
    關鍵詞：液壓挖掘機;Pro/E;鏟斗;有限元分析;強度分析

    液壓挖掘機是工程機械的主要產品之一,具有較高的技術含量,它被廣泛應用于礦山開采、道路施工、國防建設、農用水利等基本建設之中。鏟斗是挖掘機工作裝置(鏟斗、斗桿、動臂)3大部件之一,是主要承載件[1]。在挖掘過程中,鏟斗直接承受很大外力,鏟斗與礦巖的接觸滑移,造成鏟斗激烈的磨損。作業環境的狀況也對鏟斗的強度和變形在一定程度上造成很大影響。因此,鏟斗結構性能的好壞對挖掘機工作的影響非常重要[2]。目前,在國內液壓挖掘機設計中,對斗桿和動臂的應力分布進行分析較多,而對鏟斗的應力分布規律研究得較少。本文結合WY100C挖掘機的實際作業工況,對挖掘機鏟斗在受力較大的典型工況下挖掘時進行強度分析和變形分析,為挖掘機鏟斗設計提供理論依據。

    1。強度分析模型的建立
    （1.1）。。。分析方案及條件利用有限元進行強度分析的過程是:①前處理建立幾何模型,將幾何模型理想化,施加材料參數和載荷約束條件,進行網格劃分;②通過軟件進行有限元分析計算;③后處理,將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示,也可將結果以圖、表、曲線形式顯示或輸出[3-4]。使用Pro/MECHANICA模塊,可以將幾何模型轉換成有限元模型進行分析求解,并以圖形方式顯示分析結果首先,在Pro/E模塊中對鏟斗進行三維造型其次以鏟斗受力較大的工況,計算出有限元強度分析的載荷數據,較后應用Pro/MECHANICA模塊對鏟斗進行強度分析。
    （1.2）。。。有限元分析模型的建立根據已知的尺寸數據,在Pro/E中進行挖掘機的鏟斗三維實體造型,為方便劃分網格,在對結果不產生影響的情況下,對結構和模型進行簡化,分析所用的實體模型如圖1所示。
    圖1鏟斗三維模型
    （1.3）。。。材料條件的確定挖掘機鏟斗兩側板采用的材料是其它部分所采用的是16Mn。采用主要是為了耐磨和抗疲勞,根據以往經驗可知,危險位置不在側壁,因此分析時整體采用。20CrMnMo的各項性能指標均優于所以這樣不但不影響分析結果,還簡化了分析過程。
    材料具體性能參數見表1。
    表1材料性能參數性能參數楊氏模量/(N·泊松比屈服強度/(N·抗拉強度/(N·密度/(kg·m-3)7.85×1097.90×（1.4）。。。載荷計算對挖掘機鏟斗進行強度分析時,分析采用的工況必須是有限元模型受力較大的危險工況[5]。根據挖掘機的連接情況,使用模塊對其進行動力學分析,利用模塊的運動仿真功能,模擬鏟斗的運動情況,求出了鏟斗受力較大的工況。
    鏟斗的受力主要是挖掘力、鏟斗內土的重力和鏟斗自身的重力。鏟斗的挖掘力可以采用的運動分析模塊,對鏟斗進行動力學分析,計算出各個狀態下的鏟斗挖掘力的受力情況,并輸出鏟斗受力圖表。分析發現,鏟斗受力較大發生在動臂處在較低位置,動臂缸全縮斗桿缸作用力較大。用鏟斗油缸進行挖掘時[6],斗齒尖、斗齒尖與斗桿交點和斗桿與動臂交點三點成一直線,斗桿油缸與斗桿尾部之間的夾角為90°,鏟斗的具體受力數值為:水平受力為83074.6N,豎直受力為49656.6N,重力為9039.27N(重力加速度取9800mm/s2)。
    （1.5）。。。網格劃分有限元分析很重要的一步就是對模型進行有限元網格劃分。進入Pro/MECHANICA模塊,建立挖掘機鏟斗的有限元網格模型,其中包括:單元類型、材料屬性,對鏟斗三維實體模型進行簡化處理選用四面體單元進行網格劃分,從運算時間和精度上考慮,以網格全局單元尺寸較大175mm、較小進行自動網格劃分,從而生成鏟斗有限元網格模型。鏟斗有限元網格模型有8021個實體單元如圖2所示。
    圖2鏟斗有限元網格模型
    （1.6）。。。加載荷和確定約束條件根據Pro/MECHANICA模塊分析可知,以挖掘機鏟斗較大受力狀態作為強度分析工況,即假設鏟斗的4個銷孔固定。挖掘機鏟斗主要承受的力是挖掘力水平分力與豎直分力的合力、側向力和重力側向水平挖掘力側向力影響不大,在這里忽略不計。

    對鏟斗施加的約束和載荷,建立鏟斗的有限元分析模型[7],如圖3所示。

    2。有限元強度分析

    結果完成了有限元分析的一系列前處理工作(準備模型、添加載荷、指定邊界條件、劃分網格、編輯網格屬性、優化設置)之后進行計算,分析結果見表2。

    為了更加直觀形象地將鏟斗的強度分析結果表現出來,通過Pro/MECHANICA分析模塊的后處理程序,繪制出鏟斗強度分析的應力云圖如圖4所示,位移云圖如圖5所示[8]。

    圖4鏟斗強度分析應力云圖圖5鏟斗強度分析位移云圖

    3。鏟斗強度校核及結果分析
    （3.1）。。。強度校核強度校核條件σ]=σlim/[S]>σ鏟斗經有限元強度分析的應力如下σcamax=222.9N/mm2<[σ從強度校核計算可知,[σ]>σcamax,鏟斗具有足夠的設計強度。鏟斗的變形很小,較大位移量為。總的來說,斗體前部斗齒、斗后壁耳板的根部、鉸接處和補強區域受到的應力較大,但都低于許用應力,其它部位所受應力較小,大部分都低于。
    （3.2）。。。結果分析斗后壁的加強筋板是增加鏟斗剛度和提高鏟斗強度的關鍵,它不但可以大大降低斗后壁應力而且可以化解應力集中,極大地提高了鏟斗抗偏載、抗超載的能力。
    斗體前部的斗唇部件和兩側的加強筋板對改善鏟斗的挖掘性能和提高斗體的強度都起到了不可替代的作用。
    鏟斗后壁耳板比其它部位的鋼板厚,從而提高了鉸接部位抗交變復雜應力和磨損的能力。
    作業設備主體在挖掘過程中具有柔性,可以緩解力的作用,設備實際更偏于安全。
    以上計算是在鏟斗簡化了的模型上進行的。簡化模型與實物相比,簡化模型比較弱,因此鏟斗的實際強度還有盈余[10];計算結果是受應力較大的典型工況,既有它的特殊性,也有代表性;在此計算模型中沒有考慮焊縫的影響。在實際情況中良好的質量焊縫能夠減小應力集中,即實際結構中的較大應力應低于計算值;另外,由于網格劃分的準確程度不同,其計算精度存在一定的偏差,但是不影響對鏟斗整體強度分析的結果,完全可以供設計參考。
    通過使用Pro/E對WY100C挖掘機鏟斗進行有限元分析,可以看出,有限元分析的主要工作是數據準備和分析運算結果。建立正確的有限元分析模型(幾何模型、材料參數、邊界條件和載荷條件)才能運算出正確的結果,根據對運算結果的分析,不斷發現產品設計中存在的問題,以此為依據對產品結構進行改進,為以后挖掘機設計和開發提供依據。
    幾甚至幾十千帕急劇下降到零;彎管處出現了自外向內的壓強坡降,符合彎道流體流動特性;穩流器在噴頭中起到了減緩壓力變化的作用,其中在圖中表現得比較明顯。圖4(b)中彎管至噴管過渡段壓力變化平緩,壓降較小,說明此穩流器較好。圖4(d)為沒有安裝穩流器的噴頭流道壓力等值線圖,從圖中可以看出彎管處產生的局部壓力梯度面積較大,且壓力值分布不均勻,說明該噴頭噴管入口處紊流程度很大。
    在其他工作壓力下進行同樣的模擬分析,會得到類似的仿真結果。由以上結果分析可知,為使中壓搖臂式噴頭內部水流得到充分發展,噴管內應安裝穩流器。并且通過比較分析,可知安裝筋片形穩流器的搖臂式噴頭內部壓力損失較小,流道結構較好。通過ANSYS/FLOTRAN仿真模擬分析,可視了噴頭內流場的形貌,減少了試驗次數,從而可以快速、科學地根據流場參量的變化來優化噴頭流道的結構,將為低能耗搖臂式噴頭的快速、低成本開發提供參考依據。

本文由 篩分破碎鏟斗 整理編輯。