胡友安，李 蓉

（河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022）

SLDQY－60型水陸兩用多功能清淤機為自航全液壓反鏟型挖掘機械，其保留了原SLQY系列兩棲式清淤機兼有的陸用單斗挖掘機和水上單斗挖泥船反鏟挖掘的特點，增加了該清淤機的挖掘斗容，提高了工作效率.該機有4條機器人式的支腿，可在陸上和沼澤中仿海龜式爬行，能自由出入水域、上下河岸、上下拖車，當水深超過1.1m時，還可利用自身的螺旋槳進行自航，是一種理想的清淤機械［1］，本文以江蘇省水利機械制造總廠研發(fā)的SLDQY－60型清淤機為例，應用大型通用有限元分析軟件對其工作裝置部分作靜力分析，并對其進行船體結構尺寸優(yōu)化，為其產品改進提供相關的靜力學參考.

1 清淤機的有限元模型

圖1所示為SLDQY－60型清淤機作業(yè)工作圖.

圖1 清淤機作業(yè)工作圖圖1 Working picture of silt-clearing machine

1.1 模型的參數及簡化

SLDQY－60型清淤機的斗容為0.6m3，最大挖掘半徑為11.7m，最大挖掘深度為5.5m，最大卸載高度為6.5m，作業(yè)水深≤3.1m，航行水深≥1.2m，理論生產率為90m3·h－1，整機質量（包括油料）為23.0t，過橋靜空2.5m.在建立此清淤機的幾何模型時，根據其結構特點，在保證力學性能不變的情況下，對清淤機進行適當簡化，可忽略4條支腿、司機駕駛室等對結構的力學性能的計算影響不大的因素，只需通過加大材料密度，將質量均布在簡化的模型中［2］.由于采用了簡化處理，會使結果出現誤差，但從簡化措施來看，相當于降低了清淤機的強度和剛度，會使應力結果偏大，是一種偏安全的分析，因此是比較可靠的［3］.

1.2 模型的處理及劃分網格

清淤機由鏟斗、斗桿、動臂、擺桿及各自的驅動油缸，還有船體組成（如圖2所示）.模型建立時需要和實際結構盡可能相一致，由于清淤機鏟斗、斗桿、動臂、船體均由板與板焊接而成，形成箱型結構，因此在ANSYS建模中使用板梁單元來模擬清淤機各構件.采用Shell 63單元模擬殼體，Shell 63單元能承受平面內載荷和法向載荷，同時具備了應力硬化和大變形能力.船體上的梁均由Beam 188模擬，這種單元非常適合線性、大角度轉動和非線性大應變問題，而且可以自定義截面.油缸桿均采用Link 8模擬，該桿單元只承受軸向拉力、壓力，不承受彎矩，在工程中有著廣泛應用.對于軸套等實體均由Solid 45單元模擬，該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變的能力［4］.

鏟斗、斗桿、動臂的材料均為 Q345（16Mn），其彈性模量為212GPa，泊松比為0.31，密度為7 870kg·m－3.船體的板和梁采用Q235，其彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，密度為7 850kg·m－3.

有限元模型的求解規(guī)模、精度與劃分后網格的疏密有直接的關系，而且網格劃分的好壞將直接影響有限元計算的結果.清淤機模型共劃分為78 663個節(jié)點，206 358個單元.坐標系選用總體笛卡爾坐標系，沿xOz平面建立模型，z軸方向為垂直向上.

1.3 有限元模型的建立

清淤機在不同的工作狀態(tài)下其受力情況是不同的，采用有限元分析軟件可以模擬和得到清淤機在不同工作狀態(tài)下的應力和變形規(guī)律及分布趨勢.分析過程包括建立符合各個工況實際結構受力狀態(tài)和特點的有限元計算模型.表1為該清淤機的8種工作工況，圖2和圖3為該清淤機8種工況簡圖：

圖2 清淤機前4種工況Fig.2 First four working conditions of silt-clearing machine

圖3 清淤機后4種工況Fig.3 Latter four working conditions of silt-clearing machine

2 靜力學分析

2.1 施加約束及載荷

由于清淤機結構的復雜，需要對特殊的節(jié)點自由度關系進行處理.要將模型中鏟斗與斗桿，鏟斗與連桿，連桿與擺桿，斗桿與擺桿，斗桿與動臂，動臂與支座處進行耦合處理.耦合是指幾個節(jié)點自由度取相同的值，耦合自由度中包含一個主自由度和一個或幾個從自由度，通過耦合在兩重復節(jié)點間，可以形成銷釘、鉸鏈或滑動連接等特殊的節(jié)點自由度.用Link 8來模擬鏟斗油缸桿、斗桿油缸桿和動臂油缸桿時，為保證所有軸套的受力均勻，分別對Link 8單元與軸套連接進行剛化連接.通過連接主要節(jié)點和從屬節(jié)點沿指定自由度方向建立剛性線.添加完對自由度的約束后，利用施加一個和重力加速度相反方向的加速度的辦法對重力場進行描述［5］.

針對不同的重點工況，在相應位置施加不同的載荷，對清淤機整體結構進行有限元靜力學分析.以工況3為例，清淤機受自身重力和各油缸作用力.油缸作用力可以根據力矩平衡計算得到，其中已知鏟斗挖掘力為1 900N，方向與重力相反.在計算鏟斗油缸作用力時，剛化斗桿和動臂油缸；在計算斗桿油缸作用力時，剛化鏟斗和動臂油缸；在計算動臂油缸作用力時，剛化鏟斗和斗桿油缸.反鏟工作裝置采用斗桿液壓缸（或鏟斗液壓缸）進行挖掘時所得的理論挖掘力不考慮下列因素：工作裝置自重和土重；液壓系統(tǒng)和連桿機構的效率；斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸的背壓等［6］.

對清淤機的前后支腿座板處施加約束，約束其面上節(jié)點的x，y，z向移動及轉動.

2.2 求解與分析

在載荷作用下清淤機的應力分布復雜，按第四強度理論進行強度校核，強度條件為

式中：σ1，σ2，σ3分別為3個方向的主應力.

按照機械設計手冊［7］的要求，Q345（16Mn）在鋼材厚度≤16mm時，屈服極限為345MPa，鋼材厚度＞16～35mm時，屈服極限為325MPa.Q235在鋼材厚度≤16mm時，屈服極限為235MPa.清淤機各工況最大折算應力如表2所示.由于工況3的動臂跨度最大，為較危險工況，所以選取清淤機危險工況下的應力云圖如圖4所示.

表2 各工況最大折算應力Tab.2 Maximum commuted stress under different working conditions

比較8種工況，動臂下鉸點處的隔板均出現超過材料屈服極限的最大折算應力，說明此處的隔板不滿足應力要求，需要對此處進行增加板厚的處理以避免局部應力過大.從圖4可以看出清淤機在各個工況下動臂處的應力都較大，這是由于對動臂模型做了一定簡化所致，實際應用中對動臂進行加強就可以改善這個問題.

圖4 工況3應力云圖Fig.4 Stress nephogram under working condition three

3 清淤機結構尺寸優(yōu)化

由于折算應力最大處均出現在動臂與回轉臺連接處（動臂下鉸點處的隔板），將此處的隔板從6mm增加到10mm.通過清淤機8種主要工況的分析可以看到，清淤機船體結構的應力值都小于100MPa，滿足強度要求，所以對船體結構進行優(yōu)化設計很有實際意義.將船體板厚從4mm減小到3mm.再減小船體骨架中主要的角鋼型號，將角鋼50mm×50mm×5mm減小為角鋼45mm×45mm×5mm，角鋼30mm×30mm×3mm減小為角鋼25mm×25mm×3mm，槽鋼14mm減小為 槽鋼12.6mm，槽鋼10mm減小為槽鋼8mm，槽鋼8mm減小為槽鋼6mm，工字鋼14mm減小為工字鋼12.6mm.

3.1 優(yōu)化后強度校核

再按照之前的步驟對清淤機進行靜力分析來校核優(yōu)化后的強度，表3列出了更改后的最大折算應力，更改后的清淤機危險工況的應力云圖如圖5所示.

表3 各工況最大折算應力Tab.3 Maximum commuted stress under different working conditions

圖5 更改后工況3應力云圖Fig.5 Stress nephogram under working condition three after change

從表3中可以看出優(yōu)化改進后的應力值未發(fā)生大的改變，說明對清淤機船體結構進行優(yōu)化設計是可行的.最大折算應力基本都在動臂與斗桿的鉸接銷軸處，這是因為減小了銷軸的直徑導致了銷軸處應力過大.根據挖掘機工作裝置用銷軸的規(guī)定，清淤機銷軸材料為40Cr，其屈服極限為785MPa，可見銷軸的應力滿足要求.

3.2 優(yōu)化后剛度校核

優(yōu)化后的清淤機船體部分僅滿足強度要求是不夠的，還需分析船體的剛度.表4所示為清淤機船體各工況優(yōu)化前后的變形最大值比較.將危險工況3優(yōu)化前后的變形圖進行對比，圖6為優(yōu)化前工況3船體的變形云圖，圖7為優(yōu)化后工況3船體的變形云圖.

表4 各工況最大變形值對比Tab.4 Maximum deformation value of contrast under different working conditions mm

圖6 優(yōu)化前工況3的船體變形云圖Fig.6 Deformation nephogram of hull under working condition three before optimization

圖7 優(yōu)化后工況3的船體變形云圖Fig.7 Deformation nephogram of hull under working condition three after optimization

中小型船舶船體建造精度中對船型變形量的要求為：船底中心線與船臺中心線偏差的標準范圍為±5.0mm，船體龍骨線撓度標準范圍為±20.0mm.由表4中所列的優(yōu)化后的最大變形值均小于4.0mm，表明優(yōu)化后的清淤機船體結構滿足剛度要求.

4 結論

用ANSYS有限元軟件對清淤機在典型工況下做了強度分析，根據分析結果確定了清淤機動臂的危險區(qū)域并對其作了增加板厚的改進措施.在滿足強度的基礎上對船體結構進行了優(yōu)化設計，改進后的清淤機結構不但滿足了強度和剛度要求，而且節(jié)省了材料.所得的分析數據可為清淤機的結構設計、節(jié)約成本提供一定的參考.

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