裝載車通用鏟斗作業(yè)裝置搖臂受力分析

裝載車通用鏟斗作業(yè)裝置搖臂受力分析

0工作裝置結(jié)構(gòu)模型分析裝載是一種通用于礦山、鐵路隧道和港口建筑物的石工程機(jī)械。主要從事砂、礦、灰等材料，主要完成切割、裝載、搬運(yùn)等工作。在一些煤礦等原材料的集料、裝料等作業(yè)過程中,裝載機(jī)具有操作簡(jiǎn)單方便、使用結(jié)實(shí)可靠,并且其運(yùn)輸速度快,效率高,已經(jīng)成為煤礦機(jī)械中重要的工程機(jī)械之一。裝載機(jī)的作業(yè)工況一般在戶外,周邊環(huán)境極其惡劣,其承擔(dān)的作業(yè)任務(wù)一般也比較大,因此對(duì)裝載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及可靠性有較高的要求。本文對(duì)工作裝置的主要零部件,如動(dòng)臂、搖臂、連桿及鏟斗等進(jìn)行實(shí)體建模并裝配,模擬工作裝置的工作狀況。確定典型最危險(xiǎn)工況,對(duì)工作裝置進(jìn)行了力學(xué)模型簡(jiǎn)化及受力分析。基于分析軟件ANSYS,對(duì)工作裝置的關(guān)鍵件搖臂進(jìn)行靜力學(xué)分析和疲勞可靠性分析,指出搖臂構(gòu)件的易損部位,并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)措施,這對(duì)提高構(gòu)件的可靠度及新零件的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。1結(jié)構(gòu)原理和簡(jiǎn)化(1)工作裝置的工作原理裝載機(jī)的鏟斗工作裝置是轉(zhuǎn)斗油缸后置式反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)。反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)械機(jī)構(gòu)的組成主要包括:鏟斗、動(dòng)臂、搖臂及連桿組成的四連桿機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油缸。裝載機(jī)通過其工作裝置實(shí)現(xiàn)鏟斗的空間起升及前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。圖1為工作裝置的三維模型圖。工作原理:鏟斗用來裝載物料,舉升油缸通過動(dòng)臂來起升鏟斗,轉(zhuǎn)斗油缸通過搖臂、連桿使鏟斗產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),以卸載物料。工作過程:舉升油缸收回,動(dòng)臂被放置到下極限位置,鏟斗貼近地面,裝載機(jī)前進(jìn),鏟斗插入物料。舉升油缸停止工作,轉(zhuǎn)斗油缸開始作用,搖臂回轉(zhuǎn),使鏟斗發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),物料被裝載在鏟斗里面。此后,轉(zhuǎn)斗油缸停止工作,舉升油缸開始工作,物料被抬舉到指定位置。轉(zhuǎn)斗油缸開始工作,轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗,卸載物料,完成一個(gè)工作流程。舉升油缸接著開始工作,下放鏟斗至地面,進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。圖2為最危險(xiǎn)工況下的工作裝置力學(xué)模型簡(jiǎn)化示意圖。圖中搖臂在最危險(xiǎn)角度工況下時(shí)受力狀況惡劣,承受物料以及鏟斗結(jié)構(gòu)的力矩及其他阻力矩,且搖臂機(jī)構(gòu)的形狀、尺寸受空間限制,相對(duì)其他構(gòu)件而言易受損壞,選為關(guān)鍵件進(jìn)行分析。(2)搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸的角度分布對(duì)工作裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化,選取工作裝置最危險(xiǎn)的工作狀況。以鏟斗和連桿作為研究對(duì)象,將其他構(gòu)件等效為力或力矩施加在連桿上,則圖2所示結(jié)構(gòu)受力分析圖為圖3所示。圖中各段分別為長(zhǎng)度l1=300mm,lab=300mm,ab與水平線的夾角為80°,bc與水平線的夾角為30°,等效力F大小為鏟斗處于最大危險(xiǎn)角度工作狀態(tài)時(shí)自身重量與所支承重量之和,其最大值為15kN,進(jìn)行力的作用點(diǎn)平移后作用于圖M點(diǎn)。由平面力系的受力分析情況,對(duì)于a點(diǎn),∑M=0得到其平衡方程為經(jīng)過計(jì)算,可得裝載機(jī)工作裝置最危險(xiǎn)工況時(shí)搖臂c鉸接點(diǎn)所受的力Fcb=15962.7N,其方向?yàn)榕c水平線順時(shí)針成30°夾角。取最危險(xiǎn)工況下的搖臂和轉(zhuǎn)斗油缸為研究對(duì)象,受力分析如圖4所示。圖4中各段的長(zhǎng)度分別為lcd=408mm,lde=408mm,搖臂ce與轉(zhuǎn)斗油缸的夾角為90°,轉(zhuǎn)斗油缸的f段作為一個(gè)固定鉸支座處理。由平面力系的受力分析情況,對(duì)于d點(diǎn),∑M=0,得到其平衡方程為經(jīng)過計(jì)算,裝載機(jī)最危險(xiǎn)工況轉(zhuǎn)斗油缸所施加給搖臂ce的力Ffe=15418.8N,其方向與水平線成45°夾角。2模擬計(jì)算2.1搖臂的運(yùn)動(dòng)仿真運(yùn)用ANSYSWorkbench對(duì)搖臂進(jìn)行強(qiáng)度及疲勞可靠性分析。將平行板零件模型導(dǎo)入ANSYS,設(shè)置材料結(jié)構(gòu)鋼,彈性模量2.0×1011MPa,泊松比0.3,材料的極限抗拉強(qiáng)度460MPa。對(duì)搖臂劃分網(wǎng)格,設(shè)置網(wǎng)格類型為自由網(wǎng)格,網(wǎng)格大小10mm。根據(jù)圖3所示搖臂在最大危險(xiǎn)工況受力的狀況,對(duì)搖臂施加約束和載荷(理論分析時(shí)的坐標(biāo)系與ANSYS中默認(rèn)的坐標(biāo)系不同,仿真中所施加的載荷為坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化之后的載荷)。中部的鉸孔施加圓柱約束,B、C節(jié)點(diǎn)分別施以對(duì)應(yīng)的力,如圖5所示。2.2計(jì)算解決方案和結(jié)果分析(1)搖臂位移和應(yīng)力在以上網(wǎng)格劃分及加載的基礎(chǔ)上,對(duì)模型進(jìn)行求解。在最危險(xiǎn)的工況下,根據(jù)實(shí)際工作中的動(dòng)作要求,該機(jī)構(gòu)工作過程可簡(jiǎn)化為靜力平衡過程,設(shè)置求解類型為靜力學(xué)分析。求解可得到最危險(xiǎn)工況下的搖臂位移、應(yīng)力云圖(圖略)。由搖臂位移云圖可以看出,最大位移處于搖臂兩端,大小為0.32mm,遠(yuǎn)小于搖臂自身長(zhǎng)度816mm,在工程中可將該構(gòu)件變形引起的位移忽略或通過其他方式進(jìn)行補(bǔ)償;由搖臂應(yīng)力云圖可以看出,構(gòu)件的最大應(yīng)力為64.449MPa,最大應(yīng)力點(diǎn)位于中間鉸孔周邊,與材料的許用應(yīng)力460MPa相比是很小的。理想的靜力學(xué)狀態(tài)下,即使構(gòu)件在最危險(xiǎn)工況下承受最大的工作力,也是安全的。(2)搖臂疲勞分析裝載車在工作及裝卸過程當(dāng)中,受載重及動(dòng)作形態(tài)的影響,搖臂的受力情況復(fù)雜多變,且由于裝載機(jī)工作任務(wù)的繁重,搖臂要多次循環(huán)經(jīng)歷最危險(xiǎn)的工況,因此確定搖臂的安全系數(shù)不低于2。要求搖臂承受圖1所示的動(dòng)作形態(tài)下50%~150%的循環(huán)應(yīng)力,承載次數(shù)≥300000次,疲勞強(qiáng)度系數(shù)為0.8。對(duì)搖臂進(jìn)行疲勞可靠性分析。插入疲勞分析工具,設(shè)置每次加載的時(shí)間間隔為60ms,定義加載類型為比率加載,比率的變化為0.5~1.5,分析類型為應(yīng)力-壽命分析,設(shè)計(jì)壽命為300000次循環(huán)加載。可求解得搖臂的安全系數(shù)云圖(略)。由搖臂安全系數(shù)云圖可以看出中部圓孔處安全系數(shù)為最低,大小為1.0692,這個(gè)安全系數(shù)值是比較低的。這說明該構(gòu)件不能滿足設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)定的加載條件及工作循環(huán)次數(shù),在工作循環(huán)過多的情況下,易發(fā)生裂紋或斷裂現(xiàn)象。在疲勞分析工具中,插入疲勞敏感度分析,計(jì)算該構(gòu)件在承受不同大小的載荷情況下的使用壽命,設(shè)置載荷變化范圍為最大工作載荷的30%~200%,可得壽命對(duì)載荷的敏感度曲線(略)。由搖臂疲勞敏感度曲線可以看出,當(dāng)加載大于最大工作載荷1.1倍最大承重以后,構(gòu)件可承受的加載次數(shù)急劇下降,壽命迅速降低。因此在設(shè)計(jì)、使用中應(yīng)杜絕對(duì)構(gòu)件施加該范圍內(nèi)的載荷。3中部鉸孔周邊電力系統(tǒng)分析根據(jù)裝載車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析選擇了該車工作裝置的搖臂作為關(guān)鍵件,并結(jié)合裝載車的實(shí)際工作狀況,對(duì)在工作裝置最危險(xiǎn)工況下的搖臂進(jìn)行靜力學(xué)及可靠性分析,得出以下結(jié)論:(1)在靜平衡狀態(tài)下,搖臂能夠滿足最大工作載荷,其最大應(yīng)力點(diǎn)位于中部鉸孔周邊,因此在設(shè)計(jì)時(shí)中部鉸孔周邊可以考慮適當(dāng)加厚及采取一些減小應(yīng)力集中的措施;(2)在實(shí)際工作與裝卸過程中,搖臂受力狀態(tài)復(fù)雜,在多次、變化的載荷作用下,該構(gòu)件各部位安全系數(shù)差別很大,其最小值位于中部鉸孔周邊,為1.0692,長(zhǎng)期工作,此處易發(fā)生裂紋或斷裂。搖臂不能很好地滿足最危險(xiǎn)工作的可靠性要求;(3)在相同的加載條件下,搖臂的敏感度曲線表明,當(dāng)受力超過最大額定值的1.1倍后,其壽命迅速減小。因此要盡量避免裝載車的超負(fù)