履帶式液壓挖掘機下車架有限元分析

1、履帶式液壓挖掘機下車架有限元分析吳金鋒,宗波,湯中連(徐工集團挖掘機械有限公司,江蘇徐州221004摘要在對履帶式液壓挖掘機下車架受力情況進行分析的基礎上,進行了靜態(tài)有限元分析。分析中采用抽中面的形式用殼單元進行模擬,從而使分析結(jié)果更接近實際,對挖掘機下車架的設計及改進有一定參考價值。關鍵詞履帶式液壓挖掘機;下車架;有限元分析中圖分類號TU621文獻標識碼B文章編號1001-554X(201211-0117-03Finite element analysis of frame structures for hydraulicexcavator based on ANSYSWUJin-feng,

2、ZONGBo,TANGZhong-lian履帶式液壓挖掘機下車架主要由縱梁、X架和回轉(zhuǎn)支承安裝座焊接而成,是一個比較復雜的焊接件。在工作過程中,下車架主要承受由工作裝置和轉(zhuǎn)臺傳遞的載荷,同時又承受整車的重力,容易造成局部結(jié)構(gòu)的疲勞損壞,因此下車架的強度分析在挖掘機的設計中非常重要。本文以某型號履帶式液壓挖掘機下車架為例,對典型工況下的下車架進行了基于ANSYS的有限元分析。1幾何模型建立與載荷分析計算1.1下車架幾何模型建立該履帶式液壓挖掘機下車架結(jié)構(gòu)主要尺寸參數(shù)如圖1所示。由于下車架結(jié)構(gòu)復雜,采用三維建模軟件PRO/E創(chuàng)建幾何模型,再通過PRO/E與ANSYS的接口將其導入到ANSYS中進行

3、網(wǎng)格劃分等前處理。1.2計算工況與外載荷履帶式液壓挖掘機行走裝置結(jié)構(gòu)件的計算原則是:挖掘機作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的最大垂直載荷,且該載荷對整機產(chǎn)生最大傾覆力矩。挖掘機的工作裝置相對履帶有縱向和橫向兩個位置1,縱向穩(wěn)定性較好,下車架可承受的載荷更大,故以縱向位置作為計算位置。71919153843259134圖1下車架主要尺寸參數(shù)本文以一種典型的失穩(wěn)工況為計算工況,即斗桿垂直于地面,斗齒尖在地面以下0.5m,用鏟斗挖掘,切向阻力垂直于地面,法向阻力指向機體。下車架回轉(zhuǎn)支承安裝座的受力情況如圖2 所示。收稿日期2012-07-16通訊地址吳金鋒,江蘇省徐州市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)東環(huán)工業(yè)園28號117CONSTR

4、UCTION MACHINERY 2012.11118建筑機械 2012.11(上半月刊設計計算DESIGN & CALCULATIONW 1W 2G W 1G 3G X2L 1L 2L z w1H w 1H w圖2挖掘機作業(yè)中下車架回轉(zhuǎn)支承安裝座受力圖此工況下,下車架回轉(zhuǎn)支承安裝座所受的軸向力F 和傾覆力矩M 為F =W 1+G 1+G 2+G 3M =W 1L W 1+WH W +G 1L 1-G 2L 2-W 2H W 1(1式中W 風載荷;W 1斗齒切向挖掘力;W 2斗齒法向挖掘力;G 1工作裝置重量;G 2上車(除工作裝置重量;G 3回轉(zhuǎn)支承重量;L 1工作裝置重心G 1到回

5、轉(zhuǎn)中心的水平距離;L 2上車(除工作裝置重心到回轉(zhuǎn)中心的水平距離;L W 1斗齒切向挖掘力W 1到回轉(zhuǎn)中心的水平距離;H W 風載荷W 到座圈的垂直距離;H W 1斗齒法向挖掘力W 2到座圈的垂直距離。斗齒切向挖掘力W 1和法向挖掘力W 2如圖3所示。忽略斗桿及連桿重量對挖掘機的影響,對O 點建立力矩平衡方程13114542r r W P G r r r §· ¨¸©¹(2式中P 1鏟斗液壓缸的理論推力;G 4鏟斗重量;r 4 斗齒切向挖掘力W 1到O 點的水平距離;r 5鏟斗重量到O 點的水平距離;r 1、r 2、r 3計算所需的輔

6、助值,已知量。4r 1P 5r 3r 2r 1r 4G 2W 1W 圖3斗齒受力模型按經(jīng)驗,W 2=00.2W 1,這里取最大值。各參數(shù)值如表1所示。據(jù)以上計算,得到此工況下座圈所受的軸向力F =2.3×105N ,傾覆力矩M =3.2×105N·m 。表1受力分析中各參數(shù)值W /N W 1/N W 2/N P 1/NL 1/L 2/L W 1/mmH w /mm 212775468150944550003980/1593/4428196G 1/G 2/G 3/G 4/N r 1/r 2/r 3/r 4/r 5/mm 46500/105713/2851/88104

7、60/609/363/1570/6702有限元模型的建立2.1下車架結(jié)構(gòu)簡化及幾何模型的建立根據(jù)挖掘機的結(jié)構(gòu)及工作特點,在保證不影響其受力分布的情況下,對下車架結(jié)構(gòu)進行適當簡化。主要對下車架作了如下簡化:(1取消對分析影響不大的螺紋孔、工藝孔等;(2考慮在導向座部位比較獨立,并且無載荷施加,對分析無影響,將其刪除;(3不考慮鋼板焊接應力及焊縫形式的影響,對各個零件的連接處進行處理?；谝陨虾喕?將PRO/E軟件建立座圈的簡化幾何模型,通過PRO/E與ANSYS的接口將模型導入。由于下車架主要由薄板件焊接而成,故采用抽中面的形式用殼單元進行模擬。簡化后的下車架模型如圖4所示,抽中面后的模型如圖5 所示。圖4 簡化后的下車架幾何模型圖5抽中面后的模型幾何模型2.2網(wǎng)格劃分由于下車架是實體,其余各件為面體,因此采用實體單元進行模擬,對面體采用面單元進行模擬。劃分好網(wǎng)格的有限元模型如圖6 所示。圖6劃分網(wǎng)格的下車架模型2.3加載與約束條件挖掘機在工作過程中,下車架通過支重輪和履帶支承在地面上,故對下車架與支重輪連接的安裝面施加固定約束(節(jié)點的6個自由度均約束,同時在安裝面上施加上文計算的軸向力F和傾覆力矩M。施加效果如圖7 所示。圖7載荷施加后的下車架3分析結(jié)果通過計算,得到下車架的應力云圖,如圖8所示。分析計算結(jié)果可知,下車架應力較大處出