（遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

目前對(duì)于液壓挖掘機(jī)鏟斗的研究，主要目的是確定在作業(yè)中作用在工作裝置的外力。利用數(shù)理解析方式或利用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，對(duì)鏟斗進(jìn)行受力分析和計(jì)算[1~2]，為鏟斗的研究奠定基礎(chǔ)，但大多是靜態(tài)載荷或難以實(shí)驗(yàn)復(fù)雜多變的實(shí)際工況。這就給鏟斗及其工作機(jī)構(gòu)的正確設(shè)計(jì)以及液壓挖掘機(jī)參數(shù)的合理選擇，提出了難題。因此，提出和建立鏟斗挖掘土壤時(shí)本構(gòu)模型的受力研究方法，分析鏟斗挖掘土壤時(shí)的受力情況與應(yīng)力分布，為改進(jìn)鏟斗的設(shè)計(jì)、提高其使用壽命和工作可靠性，具有重要的意義。

本文將利用柔性體材料模型建立液壓挖掘機(jī)鏟斗的實(shí)體模型，利用顯示動(dòng)力學(xué)理論，建立土壤挖掘工況模型。利用非線性顯示動(dòng)力學(xué)理論在LS-DYNA中對(duì)鏟斗挖掘土壤的過(guò)程進(jìn)行仿真[3]，得到鏟斗工作過(guò)程中的最大應(yīng)力值及其鏟斗應(yīng)力分布狀況，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，為研究鏟斗挖掘土壤的工況、強(qiáng)度提供一種新的手段和方法。

1 鏟斗挖掘土壤模型的建立

1.1 鏟斗模型

該液壓挖掘機(jī)鏟斗兩側(cè)板采用的材料是20CrMnMo，其他部分所采用的是16Mn。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)得知，危險(xiǎn)位置不在側(cè)壁，同時(shí)20CrMnMo材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于16Mn，因此本論文在分析時(shí)，整體均采用16Mn材料，這樣不但不影響分析結(jié)果，還簡(jiǎn)化了求解過(guò)程，加快了計(jì)算機(jī)求解速度。

材料彈性模量為210 GPa；

泊松比為0.3；

密度為7 850 kg/m3。

在LS-DYNA中對(duì)鏟斗進(jìn)行建模，采用3D Solid 164單元類型和柔性體材料模型（MAT_PLASTIC_KINEMATIC）建立鏟斗的有限元模型。

1.2 土壤本構(gòu)模型

土壤模型是根據(jù)LS-DYNA中利用接觸碰撞中的分配參數(shù)法、巖土力學(xué)和顯示動(dòng)力學(xué)等理論，建立土壤截割工況模型。因此采用Drucker-Prager彈塑性模型，來(lái)模擬土壤的材料[4]，模型屈服函數(shù)為

式中，

β為摩擦角；

d為粘聚力；

q為mises等效應(yīng)力；

k 為材料參數(shù)，0.778燮k燮1.0；

r為第三偏應(yīng)力不變量；

σc為單軸受壓屈服應(yīng)力。

取土壤的基本力學(xué)參數(shù)為：

土壤密度1.84 kg/m3；

塑性系數(shù)16.9；

凝聚力18 kPa；

內(nèi)摩擦角0.389 1 rad；

單軸抗壓強(qiáng)度20 MPa；

彈性模量69 MPa；

泊松比0.30。

2 鏟斗挖掘土壤時(shí)的鏟斗強(qiáng)度分析

為搞清鏟斗挖掘土壤時(shí)鏟斗的應(yīng)力情況，應(yīng)模擬鏟斗挖掘土壤的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，分析出實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的鏟斗挖掘時(shí)受力情況，求出最大值。

利用LS-DYNA軟件中的侵蝕接觸方法，對(duì)所建立的鏟斗和土壤的有限元模型進(jìn)行仿真，得到破壞土壤的挖掘過(guò)程中鏟斗最大值和應(yīng)力及位移云圖及分別如圖1、圖2所示。

圖1 鏟斗強(qiáng)度分析應(yīng)力云圖

圖2 鏟斗強(qiáng)度分析位移云

仿真結(jié)果表明，在鏟斗破壞土壤的挖掘土壤的過(guò)程中，其鏟斗應(yīng)力的最大為234.8 MPa；鏟斗的最大位移為3.607 mm。鏟斗應(yīng)力較大區(qū)域分布在鏟齒及其附近，鏟斗的側(cè)壁應(yīng)用的材料為20CrMnMo，其他部分所采用的是16Mn。

因鏟齒在實(shí)際工況中，所受應(yīng)力具有隨機(jī)性，故鏟齒的應(yīng)力波動(dòng)很大，易使鏟齒齒尖周圍處所受集中力，這也是鏟齒折損的一個(gè)重要原因。由以上可知，16Mn最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力（345 MPa），在鏟斗挖掘過(guò)程中，因強(qiáng)度破壞的可能性很小，但由于鏟齒齒尖處長(zhǎng)時(shí)間受較大應(yīng)力，磨損嚴(yán)重使齒尖變鈍，易疲勞失效。

所得結(jié)果與參考文獻(xiàn)[1]中的結(jié)論基本一致。由此可見，該方法實(shí)用可行，結(jié)果可信。

3 結(jié)束語(yǔ)

建立了柔性體的鏟斗和土壤的有限元模型，提出一種新的分析鏟斗強(qiáng)度方法。仿真結(jié)果表明：在實(shí)際工況中鏟斗的應(yīng)力最大值為234.8 MPa，最大應(yīng)變位移為3.607 mm，滿足鏟斗材料強(qiáng)度要求，而該鏟斗的損壞，是由疲勞破壞引起的，因此應(yīng)盡量降低鏟斗工作過(guò)程的沖擊、振動(dòng)，以提高其可靠性和使用壽命。

該研究及其所得結(jié)論，為了解鏟斗的強(qiáng)度、探究鏟斗損壞原因、改進(jìn)其設(shè)計(jì)、根據(jù)土壤性質(zhì)正確選擇和合理使用鏟斗、提高其挖掘能力提供了依據(jù)和方法。

[1]鄧子龍，高財(cái)?shù)?，李海濱．挖掘機(jī)鏟斗強(qiáng)度分析[J]．遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(4)：45-50.

[2]曾慶強(qiáng)，秦四成，趙騰云，等．裝載機(jī)鏟斗鏟掘過(guò)程受力分析[J]．工程機(jī)械，2011，（42）：18-21.

[3]時(shí)黨勇，李裕春，張勝民．基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005．

[4]屠厚澤，高 森．土壤破碎學(xué)[M]．北京：地質(zhì)出版社，1990.