曹又可 包西余

山重建機(jī)有限公司

關(guān)于470型挖掘機(jī)動(dòng)力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化探究

曹又可 包西余

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松土器作為挖掘機(jī)主要工作裝置之一，越來越廣泛使用。但在工程應(yīng)用中，很多工況下，挖掘機(jī)松土器無法滿足工作需求。為了更好的研究松土器在工作過程中運(yùn)動(dòng)規(guī)律及受力特性，本文對(duì)470型挖掘機(jī)松土器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

挖掘機(jī)；松土器；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前言

松土器是挖掘機(jī)至關(guān)重要的組成部分，對(duì)松土器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究有利于我們對(duì)挖掘機(jī)有更多的了解。將三維模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench軟件中，添加質(zhì)量屬性參數(shù)和施加約束，建立虛擬樣機(jī)的仿真模型并進(jìn)行各種機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析，得出松土器各工作部件在工作過程中的受力特性及輸出載荷，為進(jìn)一步的分析做好準(zhǔn)備。同時(shí)，根據(jù)松土器工作過程中的三種不同工況，對(duì)松土器進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，找出松土器在工作過程中受力較大的部位。最后，根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果對(duì)松土器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 松土器動(dòng)力學(xué)仿真分析

在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，設(shè)置挖掘機(jī)各個(gè)部件為剛體，則在分析過程中不存在變形問題，可以直接得出各個(gè)零部件在運(yùn)動(dòng)過程中的輸出載荷及受力狀態(tài)。

在分析過程中，首先確定各連桿，定義大臂與機(jī)架之間為固定約束，其余運(yùn)動(dòng)副設(shè)置為體與體之間的旋轉(zhuǎn)副，同時(shí)，定義液壓缸與液壓桿之間為移動(dòng)副。并對(duì)液壓缸1和液壓缸2的移動(dòng)副定義驅(qū)動(dòng)函數(shù)，該函數(shù)為時(shí)間-位移函數(shù)，單位分別為s和m。

在前處理過程中，針對(duì)三種不同工況對(duì)松土器齒尖進(jìn)行了載荷的施加，見表1。由于松土器懸掛端的左右為對(duì)稱布置，因此只求解一側(cè)連桿及曲柄的受力狀態(tài)即可。在后處理中，分別求解以下幾處運(yùn)動(dòng)副受力狀態(tài)：連桿與斗桿形成的旋轉(zhuǎn)副、連桿與松土器形成的旋轉(zhuǎn)副、連桿與曲柄形成的旋轉(zhuǎn)副及松土器與曲柄形成的旋轉(zhuǎn)副。

表1 松土器齒尖受力

圖1所示，為連桿與斗桿連接處的輸出載荷曲線，由圖可知，在松土器工作過程中，此處輸出載荷呈上升趨勢(shì)，其最大輸出載荷出現(xiàn)在強(qiáng)制提升工況下，最大輸出載荷為3.9072×105。

為連桿與曲柄連接處的輸出載荷曲線，由圖可知，連桿與曲柄連接處的輸出載荷大小及變化規(guī)律與連桿與斗桿連接處的輸出載荷完全相同。主要由于，在工作過程中，兩連接處屬于作用與反作用力的關(guān)系，因此，會(huì)出現(xiàn)這種情況。

(1)為曲柄與松土器連接處的輸出載荷曲線，曲柄與松土器連接處的輸出載荷整體呈上升趨勢(shì)，最大輸出載荷出現(xiàn)在強(qiáng)制提升工況，最大輸出載荷為1.1434×106kN。

(2)在松土器工作過程中，斗桿與松土器連接處的輸出載荷呈上升趨勢(shì)，在強(qiáng)制提升階段，載荷值增加較為明顯。最大輸出載荷為1.3937×106kN

綜上所述，利用ANSYSWorkbench對(duì)470型挖掘機(jī)松土器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，得出了各個(gè)鉸鏈連接處的輸出載荷。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，各鉸鏈連接處的最大輸出載荷均出現(xiàn)在強(qiáng)制提升階段。

圖1 連桿與斗桿連接處的輸出載荷曲線

2 松土器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

松土器在水平入土階段受力小，因此只對(duì)水平入土和強(qiáng)制提升工況進(jìn)行強(qiáng)度分析，在UG中將松土器轉(zhuǎn)換為.x_t格式，導(dǎo)入到ANSYSWork-bench。在ANSYSWorkbench中對(duì)其進(jìn)行前處理，為方便網(wǎng)格的劃分并減小計(jì)算量，對(duì)此模型進(jìn)行一些簡(jiǎn)單處理，刪除如倒角一類的小平面體。再對(duì)此模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義網(wǎng)格大小為0.003m，網(wǎng)格劃分的單元格數(shù)量為101293個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為175393個(gè)。

2.1 水平勾土階段強(qiáng)度分析

水平勾土階段，松土器齒尖受到的水平方向的阻力為416.304kN，豎直方向的阻力為204.30kN。對(duì)齒尖前端面處施加X向的水平載荷，齒尖下端面施加Y向的豎直載荷。對(duì)其進(jìn)行求解，得出應(yīng)力及應(yīng)變情況如下。

水平勾土階段松土器最大變形區(qū)在齒尖處，其最大變形量為1.51mm由圖11可知，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在鉸鏈連接板與松土齒連接處。最大應(yīng)力值為σmax=196.46MPa。結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度σs=250MPa，取安全系數(shù)為1.2，對(duì)于松土器有：

綜上可知，松土器在水平勾土階段的安全系數(shù)為1.27，雖然略大于結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度，但與結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度非常接近。為保證松土器在工作中的需求，應(yīng)加強(qiáng)這兩處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.2 強(qiáng)制提升階段強(qiáng)度分析

強(qiáng)制提升階段，松土器齒尖受到的水平方向的阻力為313.49kN，豎直方向的阻力為542.986kN。對(duì)齒尖前端面處施加Y向的豎直載荷，齒尖下端面施加X向的水平載荷。對(duì)其進(jìn)行求解，得出應(yīng)力及應(yīng)變情況如下。水平勾土階段松土器最大變形區(qū)在齒尖處，其最大變形量為4.75mm最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在鉸鏈連接板與松土齒連接處。最大應(yīng)力值為σmax=206.6MPa。而結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度σs為250MPa，取安全系數(shù)為1.2，對(duì)于松土器有：

綜上可知，松土器在水平勾土階段的安全系數(shù)為1.21，基本等于結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度，已無法保證松土器正常工作。因此，應(yīng)加強(qiáng)這兩處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以更好的滿足工作要求。

3 松土器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，找出了松土器在工作過程中受力和變形較大的部位。為使松土器在松土過程中更有效地工作，在進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上對(duì)松土器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 鉸鏈連接板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由前節(jié)分析可知，松土器在三種工況下工作時(shí)，松土齒與底座連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，是容易產(chǎn)生變形和斷裂的部位。為減小應(yīng)力集中，增強(qiáng)松土器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增加底座厚度，由原來的60mm增加為65mm。

3.2 松土器齒尖結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在前節(jié)分析中可知，隨著松土器在松土過程中阻力的增加，松土器齒尖處的變形量逐漸增大。尤其在強(qiáng)制提升階段，在松土器齒尖安裝標(biāo)準(zhǔn)套的連接孔處，其應(yīng)力值已超出材料的屈服極限。結(jié)構(gòu)無法滿足工作強(qiáng)度要求，現(xiàn)對(duì)松土器松土齒進(jìn)行以下幾點(diǎn)改進(jìn)：

(a)增加松土器松土齒的內(nèi)外圓弧半徑，整體增大了松土齒的寬度，可以有效增強(qiáng)松土器在松土過程中的承受力。

(b)改變松土器齒尖標(biāo)準(zhǔn)連接孔的位置，增加連接孔與松土齒前端面的距離，保證連接孔與前端間的厚度滿足松土器的工作強(qiáng)度要求。

優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，優(yōu)化前圓弧1半徑為1194mm，優(yōu)化后半徑為1200mm。優(yōu)化前圓弧2半徑為1053mm，優(yōu)化后圓弧2半徑1063mm。松土器齒尖標(biāo)準(zhǔn)套上安裝孔由圖a位置后移30mm，增加其與松土齒前端面的距離。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，在水平勾土和強(qiáng)制提升工況做有限元分析計(jì)算，得到其安全系數(shù)分別提升到1.72和 1.50。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性。

圖2 松土齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4 對(duì)470型挖掘機(jī)動(dòng)力學(xué)總結(jié)分析

(1)對(duì)現(xiàn)有470型挖掘機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得出松土器各鉸連接部位及工作部件在工作過程中的輸出載荷。得到了各曲柄、連桿及斗桿的受力特性。

(2)對(duì)松土器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，找出了松土器在工作過程中受力及變形較大的部位。并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)松土器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，有效增強(qiáng)了松土器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，470型挖掘機(jī)動(dòng)力學(xué)分析是一項(xiàng)非常繁雜且重要的工作，其中涉及到多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，需要研究人員運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行分析，唯有如此才能真正做到挖掘機(jī)松土器的優(yōu)化。

[1]時(shí)培成，王幼民，王立濤，等.挖掘機(jī)液壓——機(jī)械復(fù)合系統(tǒng)建模與仿真研究[J].機(jī)械傳動(dòng)，2007，31(3)：26－29.

[2]鄭建榮.虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

上接(第1 5 6頁(yè))表明，模塊設(shè)計(jì)主要關(guān)注以下四個(gè)方面：功能分解，明確每個(gè)模塊具備的功能；結(jié)構(gòu)載體，不僅表現(xiàn)在對(duì)于結(jié)構(gòu)形式的選取上，還包括模塊之間連接結(jié)構(gòu)的處理上；協(xié)調(diào)接口，即不同結(jié)構(gòu)單元如何銜接；整合，把不同的模塊整合成一個(gè)完整的建筑。

3.2 運(yùn)用價(jià)值工程，優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性

結(jié)構(gòu)功能的適用性，如根據(jù)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目確定場(chǎng)地的最小尺度和所需要的空間高度，根據(jù)座席數(shù)和視線要求等定出建筑物的跨度、長(zhǎng)度和高度等；結(jié)構(gòu)受力的合理性，指在各種荷載的作用下，有足夠的承載能力，保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)正常使用；結(jié)構(gòu)的環(huán)境效應(yīng)，包括使用環(huán)保材料，節(jié)能設(shè)計(jì)，施工對(duì)環(huán)境的影響等；結(jié)構(gòu)的美學(xué)效應(yīng)，包括建筑造型，與環(huán)境的協(xié)調(diào)性等；可建造性，指工藝的復(fù)雜程度和構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化程度等。影響結(jié)構(gòu)體系的成本因素包括結(jié)構(gòu)的建造成本和維護(hù)成本。通過計(jì)算不同結(jié)構(gòu)體系的功能系數(shù)和成本系數(shù)，可以得出各結(jié)構(gòu)體系的價(jià)值系數(shù)(=功能系數(shù)/成本系數(shù))，選擇價(jià)值系數(shù)大于1的方案。

3.4 引入專業(yè)的投資咨詢機(jī)構(gòu)，保證項(xiàng)目的投資控制

通過調(diào)查服務(wù)區(qū)域內(nèi)的體育設(shè)施的供給和需求，明確場(chǎng)館的定位，區(qū)分場(chǎng)館的臨時(shí)空間和固定空間；參照相關(guān)技術(shù)規(guī)范，確定項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)模及標(biāo)準(zhǔn)；參考同類型項(xiàng)目編制建設(shè)期投資估算，二次改造及拆除成本、運(yùn)營(yíng)期的收入及維護(hù)費(fèi)用，制定合理的全壽命周期投資控制目標(biāo)；動(dòng)態(tài)監(jiān)管由設(shè)計(jì)變更引發(fā)的壽命周期投資變動(dòng)情況，并同時(shí)將建設(shè)期投資、改造成本、運(yùn)營(yíng)成本變動(dòng)幅度告知項(xiàng)目業(yè)主和設(shè)計(jì)單位；制定臨時(shí)空間資產(chǎn)處置方案及固定空間運(yùn)營(yíng)成本控制措施等。

總而言之，通常情況下，建筑過程中包括四個(gè)部分：建筑策劃、建筑設(shè)計(jì)、建筑施工以及建筑投入使用，經(jīng)過多年的探索和研究，建筑策劃與建筑設(shè)計(jì)之間的關(guān)系在這四個(gè)中是最為模糊的，因此很多人都無法正確的區(qū)分建筑策劃與建筑設(shè)計(jì)之間的區(qū)別和聯(lián)系，將二者混在一起。就目前而言，我國(guó)的建筑策劃與建筑設(shè)計(jì)之間的關(guān)系較為微妙，既不是包含也不是完全相離的，是相互影響相互交錯(cuò)的關(guān)系，這就要求我們?cè)谝院蟮膶?shí)際工作中必須對(duì)其實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步研究探討。

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