裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計有限元分析

1、裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計有限元分析摘要:在煤礦巷道施工機(jī)械領(lǐng)域采用液壓扒斗式裝載機(jī)技術(shù)，可以加快施工速度、降低工人的勞動強(qiáng)度，而且在巷道、隧道、水電涵洞等施工方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本文采用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法對新型液壓裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計研究，以期能研制出滿足煤礦需求的產(chǎn)品,提高巷道施工掘進(jìn)的機(jī)械化程度。本文研究重點(diǎn)為工作機(jī)構(gòu)有限元分析。關(guān)鍵詞:工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析有限元析1研究背景隨著新技術(shù)不斷出現(xiàn)，自20世紀(jì)末期以來,煤礦采掘技術(shù)與裝備迅速發(fā)展并得以推廣。先進(jìn)采煤國家積極應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)電一體化和礦井生產(chǎn)過程自動化控制及自動化技術(shù)，研制開發(fā)了高生產(chǎn)能力、高性能的開采技術(shù)裝備，還廣泛應(yīng)用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了礦井

2、的高產(chǎn)高效和集約化生產(chǎn)。從總體上看我國的煤礦建井技術(shù)已進(jìn)入先進(jìn)國家行列。其中，井巷施工中，斜井、立井施工的機(jī)械化配套施工工藝和凍結(jié)、注漿等各類特殊鑿井技術(shù)均達(dá)到世界先進(jìn)水平，基本具備了在國際市場競爭的能力，唯獨(dú)巷道施工尤其是巖巷施工在機(jī)械化水平、施工工藝、施工速度上都明顯落后于采煤技術(shù)先進(jìn)國家1。目前，機(jī)掘法和鉆爆法是巖巷掘進(jìn)的兩種主要工藝2。機(jī)掘法就是使用全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道開拓的方法，可以經(jīng)濟(jì)切割普氏系數(shù)低于f7的巷道巖石。鉆爆法是先在工作面鉆出炮眼，在炮眼內(nèi)裝入炸藥進(jìn)行爆破，實(shí)現(xiàn)破巖的一種方法3。發(fā)達(dá)國家采用機(jī)掘法進(jìn)行巖石巷道施工的數(shù)量在掘進(jìn)中所占比例較高，可以達(dá)到30%40%。但由

3、于受技術(shù)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)因素的制約，鉆爆法將仍是我國煤礦巖巷掘進(jìn)的主要方法4。本課題研究的目的：本論文在前人大量研究工作的基礎(chǔ)上，提出了在煤礦巷道和隧道掘進(jìn)中發(fā)展以扒斗式裝載機(jī)和全液壓鉆車相配套的巖巷機(jī)械化作業(yè)線的必要性。并在新式巖巷施工設(shè)備一扒斗式裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)設(shè)計中，引入了三維設(shè)計方式和有限元分析方式，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的模式，使設(shè)計更加直觀可靠，可以對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析、強(qiáng)度分析、模態(tài)分析和干涉檢驗(yàn)。這為產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)及后續(xù)工作奠定了必要的理論基礎(chǔ)。2研究現(xiàn)狀分析自20世紀(jì)90年代以來，國外裝載機(jī)進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期，在廣泛應(yīng)用新技術(shù)的同時，不斷涌現(xiàn)出新結(jié)構(gòu)和新產(chǎn)品。繼完成提高整機(jī)可靠性

4、任務(wù)之后，技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)在于增加產(chǎn)品的電、液技術(shù)含量，努力完善產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，向節(jié)能、環(huán)保及可視化操縱方向發(fā)展5。通過對傳統(tǒng)的操縱與控制結(jié)構(gòu)的數(shù)字化改造，既實(shí)現(xiàn)了精確的鏟裝作業(yè)，又大大改善了駕駛?cè)藛T的工作條件，極大地提高了作業(yè)效率。通過產(chǎn)品的更新?lián)Q代，不斷提高產(chǎn)品的技術(shù)水平和科技含量”是國外裝載機(jī)生產(chǎn)廠商始終不渝的追求。我國通過引進(jìn)不斷更新的先進(jìn)裝備和技術(shù)，大力推廣機(jī)械化配套，已在生產(chǎn)中形成了多條的機(jī)械化作業(yè)線。目前巖巷掘進(jìn)施工機(jī)械化主要有4種配套方式，即側(cè)卸裝巖機(jī)配全液壓鉆車、耙斗裝巖機(jī)配氣腿鑿巖機(jī)、側(cè)卸裝巖機(jī)配耙斗裝巖機(jī)、側(cè)卸裝巖機(jī)配皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)6。掘進(jìn)斷面小于或等于12m2巖

5、石巷道,采用多臺鑿巖機(jī)鉆孔，耙斗裝巖，電動車拖拽礦車運(yùn)輸出矸石。掘進(jìn)斷面大于12m2巖石巷道，采用多臺鑿巖鉆車鉆孔，耙斗裝巖或側(cè)卸式裝巖機(jī)裝巖石，電動車拖拽礦車運(yùn)輸出矸石7。這是比較常見的配套形式。3動臂的有限元分析動臂是扒斗式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件之一，是進(jìn)行扒料、推拉工作的承力部件，它的結(jié)構(gòu)對工作機(jī)構(gòu)裝載性能的發(fā)揮有重要影響，因而對其結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析就顯得至關(guān)重要。3.1動臂有限元分析建模時要注意網(wǎng)格劃分。有限元計算階段。另外，由實(shí)際工況和以上分析可知扒斗工作機(jī)構(gòu)工況I時，動臂結(jié)合動作時，動臂的作業(yè)環(huán)境最為惡劣，因而本文僅就該過程進(jìn)行分析其他工況可采用相同的方法進(jìn)行。對動臂加載如圖2所示。

6、后處理階段。后處理階段的目的就是對計算輸出的結(jié)果進(jìn)行必要的處理，并按要求的方式輸出結(jié)果并顯示出來，結(jié)果可以是變形圖和應(yīng)力圖等形式。這樣就有利于使用者對結(jié)構(gòu)性能的好壞或設(shè)計的合理性進(jìn)行評估并根據(jù)結(jié)果及時作出相應(yīng)的改進(jìn)或?qū)υO(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。用上述有限元模型，p3.2動臂模態(tài)分析用模態(tài)分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性的研究一種近代方法，它是系統(tǒng)辨別方法在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性。而每一個模態(tài)具有的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型這些模態(tài)參數(shù)可以由實(shí)際計算或試驗(yàn)分析取得。而這樣一個實(shí)際計算或試驗(yàn)分析過程被稱為模態(tài)分析過程。我們采用有限元計算的方法取得的模態(tài)分析，被稱為計算模態(tài)分析。通常，模態(tài)分析都

7、是指試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。模態(tài)分析的經(jīng)典定義:將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo),使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程,以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的自振頻率(也叫固有頻率)和振型。ANSYS可以對包含預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法了解結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，研究人員就可能預(yù)見到該結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實(shí)際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備的故障診斷的重要方法之一。ANSYS提供了七種模態(tài)提取

8、的方法：QR阻尼法、PowerDynamic方法、縮減法、非對稱方法、分塊Lanczos方法、阻尼法和子空間法，其QR阻尼法和阻尼法均應(yīng)考慮機(jī)構(gòu)的阻尼效應(yīng)。3.3分析結(jié)果并提出改進(jìn)措施在利用有限元分析法求解后，對結(jié)果的分析是評價產(chǎn)品、總結(jié)結(jié)論、提出建議、指導(dǎo)產(chǎn)品優(yōu)化結(jié)構(gòu)、改進(jìn)性能的最終目的。模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用作用:（1）可對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行評價。（2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障的診斷及預(yù)報。（3）對新產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計。（4）其能夠識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的載荷。本分析中可知，動臂支座鉸接孔強(qiáng)度數(shù)值大原因主要因?yàn)檩S座是整個動臂與平臺的聯(lián)接部件，是整個動臂作業(yè)的支撐點(diǎn)，工作機(jī)構(gòu)每次工作

9、都會受到較大荷載。另外該區(qū)域又是焊接的熱影響區(qū)，是集中力作用處，容易發(fā)生破壞。支撐座是動臂油缸的上鉸點(diǎn)，且它與斗桿油缸聯(lián)接座相距不遠(yuǎn)，是動臂上結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的地方。另外各聯(lián)接部位也是應(yīng)力較大的地方，在設(shè)計時應(yīng)該引起注意。本工況下，動臂的最大應(yīng)力為198.09MPa,在動臂與支座鉸接孔部位，應(yīng)力的大小滿足設(shè)計要求。在各階模態(tài)分析中可以看出發(fā)生扭振的最大變形位置通常出現(xiàn)在左右側(cè)板、動臂油缸連接板等剛度相對較小處，需要增加其局部剛度。通過上述分析結(jié)果，需要對如下部分進(jìn)行改進(jìn)：采用各鉸接孔處焊接厚襯板、加厚左右側(cè)板、加長襯套等方式進(jìn)行加固。油缸座支撐襯板要加焊加強(qiáng)板或用較厚的板代替；增強(qiáng)動臂側(cè)板的箱型封閉性，在前傾板處加焊連接板。參考文獻(xiàn)崔增祈，李樹青.巖巷施工技術(shù)的回顧與展望J.建井技術(shù),1996(5/6):3-5.邵虎成.巖巷裝載技術(shù)及其發(fā)展J.建井技術(shù),1996(5/6):20-21.竇慶峰.鉆爆法在隧道施工中的發(fā)展趨勢C/煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究所.礦井建設(shè)現(xiàn)代技術(shù)理論與實(shí)踐.北京:煤炭工業(yè)出版社,2005:581-584.王宗禹煤礦巖巷掘進(jìn)技術(shù)C/煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究所.礦井建設(shè)現(xiàn)代技術(shù)理論與實(shí)踐.北京：煤炭工業(yè)出版社,2005:572-574.