裝載機動臂的有限元分析及改進

1、收稿日期:2009-12-14作者簡介:周華祥(1975 ,男,湖北漢川人,講師,碩士。do:i 10.3969/.j issn .1008-8245.2010.05.004裝載機動臂的有限元分析及改進周華祥 黃 磊(黃石理工學院機電工程學院,湖北黃石435003摘 要:動臂是裝載機工作裝置最重要的構件,其強度狀況對工作裝置的性能和壽命有直接的影響。在裝載機的實際工作過程中,鏟斗經(jīng)常受偏載作用,此時工作裝置除承受正載外,還承受附加彎矩作用,從而導致鏟斗和動臂的變形。在這2種工況下對動臂進行有限元分析,得出動臂的應力集中區(qū)域和應力分布云圖,提出了改進工作裝置結構的措施。關鍵詞:偏載;動臂;有限元

2、中圖分類號:TH 123+.4 文獻標識碼:A 文章編號:1008-8245(201005-0012-03Fi nite E le m e nt Analysis and Im prove m ent of Loader Boo mZ HOU H uaxiang H U ANG L ei(Schoo l ofM echan i ca l and E l ectron i c Eng i nee ri ng ,Huangsh i Instit ute o f T echno logy ,H uangshiH ube i 435003Abstrac t :The Boo m i s t he m

3、ost i m po rtan t co m ponen t o f t he l oader .T he strength cond iti ons exe rt a direct influence on the life expectancy and the perfor m ance of t he l oadi ng equip m ents .In the prac tica lwo rk o f the loader ,the bucket has been o ften partia.l A t this ti m e the l oading dev ice has to b

4、ear t he add iti onal bend i ng m om ent i n add iti on to t he nor m a l load i ng ,wh i ch resu lts i n the de for m ati on o f the bucke t and the boom.T he fi nite e l em ent ana l y si s has been done under these t wo cond iti ons and the stress concen trati on a rea and stress d istri buti on

5、a rea of the boo m have been obta i ned and m easures have been put fo r w ard to i m prove t he co m ponents of the loader correspond i ng ly .K ey word s :parti a l l oad ;boom ;finite e le m ent0 引言輪式裝載機屬于鏟土運輸機械類,具有作業(yè)速度快、效率高、機動性能好、操作輕便等優(yōu)點,是現(xiàn)代機械化施工中不可缺少的裝備之一。我國裝載機在結構設計強度等方面設計上存在很多問題。以往采取的 類比試湊!設計方

6、法在一定程度上存在盲目性,容易形成設計中的 人為!應力集中點,造成機構整體強度的削弱甚至破壞。動臂是裝載機的主要結構部件,是鏟斗和搖臂的主要結構支撐件。采用現(xiàn)代設計方法中的有限元方法,對裝載機在極限工況下的狀態(tài)進行分析,得到工作裝置整體的應力及變形分布,為動臂的結構減重和提高使用壽命提供現(xiàn)實依據(jù)。1 裝載機動臂有限元分析1.1 裝載機動臂有限元概述在裝載機的實際工作過程中,鏟斗經(jīng)常受偏載作用,此時工作裝置除承受正載外,還承受附加彎矩作用,從而導致鏟斗和動臂的變形。裝載機裝卸物料的作業(yè)是由水平切入料堆、轉斗、提升后退、重載行駛和卸載行駛等5段動作完成的。分第26卷 第5期2010年10月 黃 石

7、 理 工 學 院 學 報J OURNA L O F HUANG S H I INST ITUT E OF TEC HNOLOGYV o.l 26 N o .5O ct . 2010析以上作業(yè)過程發(fā)現(xiàn):裝載機在鏟入物料堆及把物料堆舉升到最高處時有最大的水平和垂直載荷。選取動臂所受最大載荷的2種工況進行研究,即插入工況和舉升工況。1.2 裝載機動臂有限元建模單元類型:裝載機動臂是由動臂板、橫梁、搖臂支耳焊接而成的,選取采用SOLI D 45實體單元作為分析的單元類型。材料屬性:裝載機動臂由16M n 組成,其中動臂上的軸套由Q 235-D 組成。網(wǎng)格劃分:形式為自由劃分,采用三角形形狀劃分,共產生

8、1361個節(jié)點,3664個單元,精度適中。ZL50裝載機動臂網(wǎng)絡劃分模型如圖1所示。動臂的上鉸點與前車架鉸接處固定,下鉸點與鏟斗鉸接處可在XY 軸平面內擺動,舉升油缸與動臂鉸接處可在XY 平面內擺動,搖臂支耳鉸點在本文分析的2種工況中所受的應力過小,可以忽略不計 。圖1 裝載機動臂的網(wǎng)絡劃分模型在工作狀態(tài)下,動臂受到鏟斗自重和舉升油缸的聯(lián)合作用。自重為17500kg ,最大牽引力為146kN 。鉛垂方向的荷載即在舉升工況時,由動臂所受的物料重力和鏟斗自重的合力形成,合計6.5t 。水平方向荷載即插入力是由裝載機插入物料堆時所受的牽引力和滾動阻力的合力,為X 方向。F =F 牽引力-F 滾動阻力

9、=141712.5N 。分別對以下2種工況裝載機動臂的應力和變形進行了計算:(1插入工況:動臂下放,鏟斗放置于地面,斗尖觸地,斗底板與地面呈35傾角,開動裝載機,鏟斗借助機器的牽引力插入料堆。此時裝載機動臂下鉸點與鏟斗鉸接處有最大插入力。該工況下的有限元分析如圖2、3、4所 示。圖2 動臂的合位移圖3 動臂的等效應力圖圖4 最大等效應力部位動臂在X 、Y 、Z 方向上的合位移的最大值為9.201mm 。動臂的最大等效應力為374.934M Pa 。最大等效應力部位處于動臂的上鉸點處。(2舉升工況:保持轉斗缸長度不變,操作舉升缸,將動臂升至上限位置,準備卸載。該工況下的有限元分析如圖5、6所示。

10、由圖56可以看出,動臂的最大等效應力為565.147MP a 。最大等效應力部位也處于動臂的上鉸點處。2種工況下動臂下鉸點最大變形和應力集中部位所受最大應力情況如表12所示。第5期 周華祥 黃 磊:裝載機動臂的有限元分析及改進13 圖5 動臂的等效應力圖 圖6 最大等效應力部位表1 2種工況下動臂下鉸點最大變形單位:mm變形工況動臂下鉸點最大變形UX UY UZ USU M插入工況6.5736.6310.6659.201舉升工況8.7688.9521.02212.388表2 2種工況下動臂應力集中部位所受最大應力單位:M Pa應力工況 X方向最大應力Y方向最大應力Z方向最大應力XY方向最大剪應

11、力YZ方向最大剪應力XZ方向最大剪應力最大等效應力插入工況550.964246.557233.377121.86751.48661.043374.934舉升工況829.091366.37349.079182.84775.95691.62565.147由以上分析可知:裝載機在舉升工況時動臂所受應力最大,且有應力集中現(xiàn)象。裝載機動臂的材料和形狀,能夠滿足其工作時的強度。由應力云圖可知,動臂的最大變形為12.388mm,變形較小,材料的剛度足夠?？梢娫搫颖蹪M足各種工況下的工作要求。2 裝載機動臂有限元改進措施從應力圖中可以看出動臂的主要應力集中部位是動臂上鉸點與前車架鉸接處,因此我們需要在這些地方采

12、取措施減少應力,提高它的使用壽命和安全性。消除或減少應力的具體方法有:(1熱處理:去應力退火又稱低溫退火(或高溫回火,這種退火主要用來消除鑄件、鍛件、焊接件、熱軋件、冷拉件等的殘余應力。如果這些應力不予消除,將會引起鋼件在一段時間以后,或在隨后的加工過程中產生變形或裂紋。(2可以在有應力集中的地方加肋板,這樣可以防止因應力集中而造成的疲勞斷裂,從而提高動臂的使用壽命和安全性。(3可以在應力集中的地方設計卸荷槽、倒角等等。(4針對有應力集中的地方在設計時,可以再次設計為圓角,盡量以圓弧過渡,這樣就可以消除一部分的應力集中現(xiàn)象。(5改進設計加工工藝技術。如采取控制加工溫度、保壓壓力和保壓時間、金屬

13、嵌件的預熱和冷卻時間等等消除應力的措施。在保證原有的工作可靠性和安全性的基礎上,降低生產成本。采取Q235代替16M n鋼、適當加寬動臂板寬度(寬度增加5mm、在應力較大的部位加寬動臂板橫截面積等方法,增強其安全系數(shù)。在應力集中的地方,加上16M n鋼做的鋼套。這樣改進之后,再用軟件對其進行靜力分析,二次改進后,動臂在舉升工況下的等效應力圖如圖7所示,圖8為動臂的合位移。最大集中應力為363.254M Pa,動臂的最大變形為8.952mm,較之未改進之前最大集中應力和最大變形都有了明顯的改觀。(下轉第17頁14 黃 石 理 工 學 院 學 報 2010年(3進行分析測量。以太陽輪2作為研究對象

14、,分析其運動軌跡、速度、加速度與時間的關系。得到的運動仿真分析結果如圖12、13所 示。 圖12 分析定義 圖13 測量結果4 結論本文介紹了利用Pro /E 建立2K -H 型周轉輪系機構的實體模型,并進行模擬運動仿真,以便及早發(fā)現(xiàn)機構參數(shù)設計上的錯誤,從而減少了物理樣品試制過程中出現(xiàn)的各種問題,縮短了新產品的開發(fā)周期。其結果形象直觀,仿真效果良好,為機構的設計提供了一種方便、實用的分析方法。這樣不僅使產品的設計效率和可靠性明顯提高,也為企業(yè)產品的早日推出爭取了時間4。參考文獻1 王吉奎,陳志剛.基于P ro /E 及A DAM S 的反鏟式挖掘機工作裝置機構的建模與運動仿真J.現(xiàn)代制造工程

15、,2006(5:135-1362 盧存光,段欽華.2K -H 型行星輪系的功率流、效率與自鎖J.機械設計與研究,2007(4:39-403 黃愛文,盧炎麟.基于P ro /E 的反鏟式挖掘機工作裝置的建模與運動仿真J.煤礦機械,2008(9:52-534 邢亮,沈豫鄂.PRO E 運動仿真中單向勻速電機實現(xiàn)往復直線運動的方式及分析J.艦船電子工程,2009(9:193-197(責任編輯 梅軍進(上接第14頁 圖7 動臂的等效應力 圖圖8 動臂的合位移3 結束語本文分別對插入和舉升2種工況下裝載機動臂的應力和變形進行了計算,得出動臂的應力集中區(qū)域和應力分布云圖,并提出了改進工作裝置結構的措施。參考文獻1 劉濤,楊鳳鵬.精通ANS