沈文冰等

摘要：經(jīng)調(diào)研分析，得知斗桿部件是挖掘機(jī)的關(guān)鍵組成部分，需要和鏟斗、液壓打樁錘等多種直接工作裝置相連并在復(fù)雜受力環(huán)境持續(xù)工作，故此認(rèn)為斗桿是整個(gè)挖掘機(jī)工作裝置的薄弱環(huán)節(jié)。本文應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS及其LS-DYNA模塊針對斗桿的失效形式進(jìn)行模態(tài)分析和工作過程模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果對斗桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)提出合理建議，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；斗桿；ANSYS；LS-DYNA；疲勞失效

引言

反鏟挖掘機(jī)在礦山開采、冶金工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，配置不同的作業(yè)裝置可以用來吊、夾、推等作業(yè)。斗桿是挖掘機(jī)的主要構(gòu)件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受著拉壓、彎曲、沖擊等多種形式的載荷，這些都是斗桿失效的因素，其主要失效形式為斷裂失效[1]。

1.斗桿斷裂形式分析

通過現(xiàn)場觀察得知斗桿的斷裂裂紋形式主要有兩種，一種是裂口平整，另一種是裂紋呈不規(guī)則走向并且發(fā)生不規(guī)則的畸變。對于第一種斷裂特點(diǎn)可以推斷為脆性斷裂，脆性斷裂的特點(diǎn)是無顯著的塑性變形， 斷口齊平而有光澤， 并能瞬時(shí)擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)整體， 是突發(fā)破壞。斗桿斷裂發(fā)生部位多在焊縫及周圍母材。對于斷裂主要原因是斗桿的靜力學(xué)性能不滿足或者對過載和復(fù)雜工況比如溫度等因素考慮不全面造成的情況，本文不做研究。對于另外一種斷裂形式——疲勞斷裂，是在沒有明顯情況下突然發(fā)生的， 不易預(yù)防， 斷裂時(shí)的實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限或屈服極限，屬于低應(yīng)力破壞，本文作重點(diǎn)研究。

2.斗桿的動力學(xué)性能分析

2.1斗桿的模態(tài)分析

疲勞主要是由于零部件在交變載荷下經(jīng)過累積較長時(shí)間的工作而產(chǎn)生，更進(jìn)一步的分析其疲勞機(jī)理，最容易產(chǎn)生工件疲勞的原因是外界的持續(xù)干擾頻率與工件自身的某一階固有頻率接近最終產(chǎn)生共振。因此對斗桿進(jìn)行動力學(xué)分析，提取其模態(tài)信息為本文的研究重點(diǎn)。

本文應(yīng)用ANSYS軟件對斗桿建模，因斗桿是鋼板的組焊結(jié)構(gòu)，所以定義斗桿的單元類型為shell92單元以便更準(zhǔn)確的計(jì)算。對斗桿模型以自由網(wǎng)格劃分的方式劃分有限單元體[2]形成有限單元模型。

斗桿材料為Q235-A，密度ρ=7850kg/cm?的，彈性模量E=196GPa，泊松比μ=0.31。對斗桿施加邊界條件為左端與動臂相連接的孔的內(nèi)表面施加軸向移動約束，這樣簡化后的力學(xué)模型與實(shí)際符合。模態(tài)分析可提取多階的頻率和振型，但高階的振型對工件實(shí)際影響不顯著，所以本文只提取前三階模態(tài)，如圖2.2所示a、b、c、d分別為斗桿的前三階振型。

2.2 斗桿在不同工況下的響應(yīng)分析

挖掘機(jī)在清除障礙、挖掘較松軟的土壤時(shí)，主要采用鏟斗液壓缸實(shí)施挖掘工作，即鏟斗挖掘工況。該種工作方式有利于生產(chǎn)率的提高。因此，在一般土方工程挖掘中（挖掘Ⅲ級以下土壤）鏟斗挖掘應(yīng)用最為廣泛。在挖掘較堅(jiān)硬的土質(zhì)時(shí)，為了將鏟斗裝滿，挖掘機(jī)在實(shí)際工作中常以斗桿液壓缸驅(qū)動挖掘，即斗桿挖掘工況。在現(xiàn)實(shí)工作中，為了節(jié)約工作時(shí)間、提高工作效率，經(jīng)常是兩種工況操作聯(lián)合使用，有時(shí)為了軌跡的控制需要，還配以動臂液壓缸的動作，本文將對該聯(lián)合使用的方式稱作工況三。

在2.1的模態(tài)分析結(jié)果基礎(chǔ)上，可知道斗桿的最危險(xiǎn)工況始終存在于斗桿的中間處，為搞清三種工況下斗桿中間的應(yīng)力情況，對三種工況進(jìn)行諧響應(yīng)分析[3]。

利用LS-DYNA對所建立的模型進(jìn)行仿真[4]，仿真時(shí)間為25s得到 （堅(jiān)固性系數(shù)）分別為2、6、4時(shí)對應(yīng)三種工況的斗桿中央部位的應(yīng)力變化曲線分別如圖2.3-a、2.3-b、2.3-c所示。

2.3 截齒截割不同硬度巖石的應(yīng)力曲線

以matlab作為計(jì)算手段，輸出斗桿中央最大應(yīng)力處的應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2.2。

仿真結(jié)果表明，隨挖掘硬度增加，斗桿中央應(yīng)力集中處應(yīng)力均值加大，最大值在226～298MPa之間；由于挖掘過程斗桿受力具有隨機(jī)性（如圖2.3），因此應(yīng)力最小值非單調(diào)遞增；挖掘三種等級土壤時(shí)，斗桿中央應(yīng)力集中處的波動大；隨著土壤硬度增加，斗桿的應(yīng)力上升快，是由于斗桿在工作過程中集中力產(chǎn)生的，這也是斗桿長時(shí)間連續(xù)工作產(chǎn)生疲勞裂紋的首因；斗桿最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力（375 MPa）；在工作過程中斗桿的應(yīng)力響應(yīng)效果趨于收斂，說明斗桿的各階頻率均沒有與工作頻率共振，說明模態(tài)分析正確，斗桿可能的失效形式為疲勞失效。

3.斗桿的結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議以及斷裂預(yù)防措施

由模態(tài)分析表得知，隨著階數(shù)的增加，斗桿的固有頻率隨之增大。容易產(chǎn)生疲勞斷裂的危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在斗桿整體中間、上端鉸接板和右端鉸接板幾個(gè)部位，這幾處均為焊縫連接的環(huán)節(jié)，所以針對該分析結(jié)果提出如下預(yù)防和改進(jìn)措施：

（1）工作裝置鉸接耳環(huán)處焊縫應(yīng)均勻以免應(yīng)力不均。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使固有頻率避開外部持續(xù)干擾頻率，避免引起共振。

4.結(jié)論

（1）經(jīng)模態(tài)分析，得到斗桿中間、上端鉸接板和右端鉸接板幾處是容易發(fā)生疲勞斷裂的危險(xiǎn)區(qū)，耳環(huán)連接板焊縫處最易斷裂，并提出焊縫要保持均勻以免工作過程中的應(yīng)力不均。

（2）斗桿失效形式為疲勞失效，在不同工況下，應(yīng)力的最大值在226～298MPa之間小于材料許用應(yīng)力。斗桿隨挖掘土壤硬度的不同應(yīng)力變化較大，施工中應(yīng)采用鏟斗挖掘和斗桿挖掘相結(jié)合的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]張衛(wèi)國.液壓挖掘機(jī)工作裝置動力學(xué)仿真分析及研究[D]. 太原： 太原理工大學(xué)機(jī)械電子工程系，2010.

[2]鐵巍巍，王曉楓，楊茹萍.挖掘機(jī)動臂有限元模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011，1（3）：23-25.

[3]周宏兵，王慧科，過新華.基于MATLAB和ANSYS的挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，34（6）：774-779.

[4]李成林，韓振南，霍俊杰，等.基于有限元的半掛牽引車車架疲勞壽命分析 [J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2013（5）：414-418.

作者簡介：

沈文冰（1982年—），男，工程師，現(xiàn)從事機(jī)械管理工作。