挖掘機鏟斗結構優化
　　摘要：采用傳統的方法對挖掘機反鏟工作裝置的鏟斗進行結構優化存在工作量大、不準確和不直觀等缺點.利用Pro/E三維軟件建立WY100C液壓挖掘機鏟斗實體模型,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挖掘時進行強度分析和變形分析.在證明了WY100-C挖掘機鏟斗的設計滿足強度要求前提下,運用參數優化設計的方法對鏟斗的結構進行優化,減輕鏟斗的重量,改善了鏟斗的結構,為挖掘機鏟斗的設計改進提供了理論依據,對其它液壓挖掘機鏟斗的研制開發也有一定的借鑒意義.
　　關鍵詞：液壓挖掘機;鏟斗;強度分析;結構優化;
　　0引言

　　液壓挖掘機是一種重要的工程機械,廣泛應用在國民經濟建設的各部門以及軍事工程上,對減輕繁重的體力勞動,加快施工進度,提高勞動生產率起了很大作用[1].液壓挖掘機鏟斗是完成液壓挖掘機各項作業任務的主要承載部件,其結構的合理性直接影響到液壓挖掘機的工作性能.本文以WY100-C液壓挖掘機的鏟斗(斗容量為1m3)為研究對象,結合實際作業工況,應用工程設計中的有限元分析技術對工程中易發生磨損的鏟斗進行強度分析,校驗了WY100-C挖掘機鏟斗設計是否滿足強度要求,運用參數優化設計的方法對鏟斗的結構進行改進,為挖掘機的設計提出了一種較為準確、簡便、經濟、省時的設計方法,具有較高的實際工程價值.

　　1確定受較大應力的危險工況
　　根據液壓挖掘機工作幾何狀態和各種可能組合,對鏟斗在所有作業工況及其挖掘過程中的各個位置進行作用力分析;對鏟斗油缸工作時施加載荷及限制,包括鏟斗油缸工作時的挖掘力、動臂油缸閉鎖限制的挖掘力、斗桿油缸閉鎖限制的挖掘力、整機穩定性限制的挖掘力;對鏟斗油缸工作時施加載荷及限制,包括斗桿油缸工作時的挖掘力、動臂油缸限制時的挖掘力、鏟斗油缸工作時的挖掘力、整機穩定性限制的挖掘;得到鏟斗和斗桿油缸工作時實際發揮的挖掘力,確定較危險的作業工況.
　　根據鏟斗工作情況分析可以得出,鏟斗受較大應力的危險工況發生在用鏟斗油缸進行挖掘的時候,動臂位于較低(動臂油缸全縮),斗桿位于斗桿油缸作用力臂較大處(斗桿油缸與斗桿尾部軸線夾角為90°時),斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點和斗桿與動臂鉸點連線的延長線上,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/s-2).
　　2建立挖掘機鏟斗實體模型
　　鏟斗模型比較復雜,首先根據已知尺寸做出準確界面曲線,然后通過拉伸、陣列等一系列操作做出實體模型如圖1所示.在Pro/E中進行WY100C挖掘機的鏟斗三維實體造型時,為方便劃分網格,將對結果不產生影響的結構忽略,對模型進行簡化.
　　圖1鏟斗三維模型3挖掘機鏟斗強度分析有限元強度分析的過程是:
　　a.前處理,施加材料參數和載荷約束條件,進行網格劃分.
　　b.通過軟件進行有限元分析計算.
　　c.后處理模塊,將計算結果以彩色等值線、梯度、矢量等形式顯示,也可以圖表、曲線形式顯示或輸出.
　　3 挖掘機鏟斗強度分析
　　有限元強度分析的過程是 :
　　a .前處理 ,施加材料參數和載荷約束條件 , 進行網格劃分 .
　　b.通過軟件進行有限元分析計算 .
　　c.后處理模塊 , 將計算結果以彩色等值線 、梯度 、矢量等形式顯示 ,也可以圖表 、曲線形式顯示或輸出 .
　　3.1確定材料條件WY100C鏟斗兩側板采用材料的是20CrMnMo,其它部分用16Mn材料,采用20CrMnMo主要是為了耐磨和抗疲勞,以往經驗可知危險位置不在側壁,分析時整體采用16Mn,20CrMnMo各項性能均優于16Mn,所以這樣不但不影響分析的結果,還簡化了分析過程.材料參數如表1所示.
　　.2進行網格劃分有限元分析很重要的一步就是對模型進行有限楷體元網格劃分.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,選用四面體單元進行網格劃分[5].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5mm進行自動網格劃分,從而生成鏟斗的有限元網格模型.8021實體單元如圖2所示.
　　3.3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,側向力對鏟斗的受力狀態影響不大,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如圖3所示.
　　圖3鏟斗有限元分析模型3.4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、指定邊界條件和劃分網格之后進行解算,計算結果如表2所示.
　　表2鏟斗有限元靜力分析結果較大剪應力(MPa)較大拉應力(MPa)較大等效應力(MPa)較大位移(mm)122.9250.6222.95.7889為了更加直觀形象地將鏟斗的強度分析結果表示出來,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如圖4所示,位移如圖5所示.
　　鏟斗具有足夠的設計強度.鏟斗的變形很小,較大位移量為5.7889mm.由圖4可知,鏟斗后壁耳板和側壁受到的應力相對較小,可以通過結構優化來減小厚度,從而減輕鏟斗重量,節省材料.
　　4挖掘機鏟斗的結構優化
　　挖掘機鏟斗的結構優化設計,是利用Pro/Mechanica模塊直接調用建模參數的優化功能,對鏟斗滿足較大應力小于許用應力的約束條件下進行結構優化.Pro/Mechanica模塊具有強大的設計計算功能,使優化設計更為方便,縮短了設計計算的時間.
　　4.1定義優化參數并選擇約束條件在Pro/Mechanica模塊中創建優化設計參數如圖6所示,然后點擊模型,則模型上的尺寸都顯示出來,從中選擇需要優化的尺寸,設后壁耳板的厚度為z1,變化范圍20～40mm,側壁后部為z2,變化范圍為15～30mm,側壁前部為z3,變化范圍為5～20楷體mm.確定目標函數為質量較小;約束條件設為較大應力小于243MPa,輸入設計變量的范圍,設定初值:z1為30mm,z2為24mm,z3為10mm;優化較大迭代間隔為5;其它選項接受默認值.
　　圖6參數設定4.2運行優化研究并升級模型進行強度分析根據物理內存的大小為運行分配內存,點擊運行按鈕,Pro/Mechanica開始自動對模型進行分析優化.如表3所示.
　　表3優化前后參數對照表參數值z1(mm)z2(mm)z3(mm)鏟斗質量(t)初始值3024100.92237優化值29.66222.71297.77320.90497對升級后的模型進行強度分析,鏟斗強度分析的應力和位移分別如圖7,圖8所示.
　　圖7鏟斗強度分析應力云圖圖8鏟斗強度分析位移云圖由圖7,圖8可知,優化后的鏟斗內部較大應力不超過較大許用應力(243MPa),較大位移量(5.93mm)也完全滿足設計要求.
　　5結果分析
　　a.應用Pro/Mechanica模塊對鏟斗在滿足較大應力小于許用應力的約束條件下進行結構優化,減薄了后壁耳板和側壁的厚度,從而減輕了鏟斗的質量(質量由優化前的0.92237t減小到0.90497t),節省了材料.
　　b.升級后的模型較大應力仍然出現在鏟斗后壁耳板的根部,需要在鏟斗后壁增加筋板,以此來化解應力集中,提高鏟斗抗偏載、抗超載的能力.
　　c.挖掘機的工作裝置在挖掘過程中具有柔性,可以緩解力的作用,設備實際更為安全.
　　6結束語

　　利用Pro/Mechanica模塊對挖掘機鏟斗的實體模型,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,證明了鏟斗具有足夠的設計強度.利用Pro/Mechanica模塊對危險工況下工作的鏟斗,在滿足較大應力小于許用應力的前提條件下進行結構優化設計,使鏟斗重量明顯減輕,尺寸分布更加趨于合理,不會在理論載荷范圍內出現破壞,提高了鏟斗設計的可靠性.

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本文由 挖掘機破碎鏟斗 整理編輯。