摘要：輪式裝載機(jī)是一種重型機(jī)械設(shè)備，主要被運(yùn)用到建筑工程項(xiàng)目施工當(dāng)中，是建筑材料裝在的主要輔助用具。目前應(yīng)用范圍最廣的是反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)，和其他結(jié)構(gòu)相比，該種結(jié)構(gòu)不僅自動(dòng)平放性能更好，且鏟掘力度大，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。本文就輪式裝載機(jī)的工作裝置展開分析，并以及動(dòng)臂為主要研究對(duì)象，分析動(dòng)臂這種工作裝置的應(yīng)力分布情況。

關(guān)鍵詞：輪式裝載機(jī);動(dòng)臂;工作裝置;應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TH243文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-6903（2021）10-0042-03

0前言

動(dòng)臂對(duì)于輪式裝載機(jī)來講，是重要的工作裝置，主要包含搖臂和鏟斗。動(dòng)臂本身的工作結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接對(duì)裝載機(jī)的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，因此，在設(shè)計(jì)輪式裝載機(jī)的工作裝置期間，需要先明確動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況，完成動(dòng)臂的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)，從而確保裝載機(jī)的工作裝置更加順暢。如今，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家在裝載機(jī)方面已經(jīng)形成比較豐富的研究成果，但這些國(guó)家獎(jiǎng)裝載機(jī)的核心技術(shù)精密保護(hù)起來。我國(guó)也積極研究裝載機(jī)的工作裝置，并且通過構(gòu)建仿真模型方式對(duì)工作裝置的性能和應(yīng)力情況展開分析，了解工作裝置的耦合性情況。本文以ZL50G 裝載機(jī)動(dòng)臂作為研究對(duì)象，分析該輪式裝載機(jī)工作裝置的應(yīng)力情況。

1輪式裝載機(jī)概述

1.1裝載機(jī)的分類

輪式裝載機(jī)本身具備作業(yè)效率高、機(jī)動(dòng)性能好且作業(yè)速度快等優(yōu)勢(shì)，是應(yīng)用范圍最廣泛的工程機(jī)械設(shè)備。工作裝置是輪式裝載機(jī)結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分，主要開展卸載、鏟掘和運(yùn)輸物料的工作，是一種空間多連桿及結(jié)構(gòu)。因不同輪式裝載機(jī)的桿件數(shù)量不同，形成的工作裝置結(jié)構(gòu)也就不同，主要?jiǎng)澐譃榘藯U機(jī)構(gòu)、六桿機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)、四桿機(jī)構(gòu)以及三桿機(jī)構(gòu)[1]。又因桿件轉(zhuǎn)向不同，被劃分為正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩種類型。本次所研究的輪式裝載機(jī)是型號(hào)為ZL50G的反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)，了解該設(shè)備的動(dòng)臂應(yīng)力狀況。

1.2輪式裝載機(jī)的構(gòu)成

如圖1所示為輪式裝載機(jī)的構(gòu)成情況，從圖中信息可以了解到輪式裝載機(jī)主要包含了制動(dòng)裝置、液壓裝置、轉(zhuǎn)向裝置、行走裝置以及工作裝置等。其中工作裝置是達(dá)成輪式裝載機(jī)各項(xiàng)工作的主要部分。

作者簡(jiǎn)介：宋林峰（1981—），男，山東萊州人，工程師，研究方向：工程機(jī)械設(shè)計(jì)。

如圖2所示為輪式裝載機(jī)的工作裝置結(jié)構(gòu)，從圖中信息可以了解到，搖臂和鏟斗是裝載機(jī)的主要工作裝置，搖臂是動(dòng)臂的主要類型之一，動(dòng)臂的機(jī)械強(qiáng)度關(guān)系到裝載機(jī)的工作裝置是否能夠答案都作業(yè)要求，對(duì)作業(yè)特性產(chǎn)生較為明顯影響。本文對(duì)裝載機(jī)的工作裝置進(jìn)行力學(xué)研究，探究動(dòng)臂在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況，從而調(diào)整動(dòng)臂設(shè)計(jì)參數(shù)，確保裝載機(jī)的工作裝置設(shè)計(jì)更加系統(tǒng)化、合理化[2]。從靜力學(xué)的角度來講，動(dòng)臂的整體結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)樘幱诓煌墓r狀態(tài)而形成不同的盈利分布情況，此時(shí)在特定的工況狀態(tài)下所呈現(xiàn)出的工作強(qiáng)度需要經(jīng)過多重假設(shè)來進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，最終了解動(dòng)臂在該種工況下的載荷狀況，明確設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際工作參數(shù)之間的差異性[3]。從動(dòng)力學(xué)角度來講，動(dòng)臂作為裝載機(jī)的主要工作裝置，不同組成構(gòu)件并不會(huì)因?yàn)檎９r而產(chǎn)生彈性變形。但從實(shí)際工作狀態(tài)來看，受到應(yīng)力分布因素影響，構(gòu)件的柔性體產(chǎn)生變化，進(jìn)而在不同程度上出現(xiàn)彈性變形問題。

2輪式裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求

為保證輪式裝載機(jī)的工作裝置處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，在設(shè)計(jì)工作裝置時(shí)，需要遵從如下設(shè)計(jì)要求：（1）注重工作裝置的干涉性設(shè)置。裝載機(jī)在運(yùn)作期間，需要讓工作裝置保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)需要通過設(shè)計(jì)調(diào)整確保運(yùn)動(dòng)過程不會(huì)受到其他結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉[4]。（2）注重鏟斗的平移設(shè)計(jì)。在工作裝置進(jìn)行舉升油缸期間，需要保持動(dòng)臂的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)物料灑落情況，此時(shí)可通過參數(shù)調(diào)整和裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式保持鏟斗處于平動(dòng)狀態(tài)。（3）構(gòu)件傳動(dòng)角設(shè)計(jì)期間，需要避免出現(xiàn)機(jī)構(gòu)自鎖的情況，因此，設(shè)計(jì)各個(gè)構(gòu)件之間的傳動(dòng)角，需要做好傳動(dòng)角的限制范圍設(shè)計(jì)，避免傳動(dòng)角超出限制范圍而發(fā)生變動(dòng)[5]。（4）卸載性設(shè)計(jì)，輪式裝載機(jī)在將物料運(yùn)輸?shù)教囟ǖ奈恢靡院螅枰３衷谔囟ǖ男遁d位置不動(dòng)，才能確保將物料完全卸載干凈。因此，可在設(shè)計(jì)工作裝置時(shí)進(jìn)行傳動(dòng)裝置和固定位置之間的參照物設(shè)計(jì)，以此來固定卸載位置[6]。（5）設(shè)計(jì)最大卸載高度。輪式裝載機(jī)中最大卸載高度主要與油缸的舉升高度有直接關(guān)系，油缸可以被舉升的最長(zhǎng)位置，且此時(shí)鏟斗處于卸載的最低位置時(shí)，鏟斗的斗刃和地面之間形成的距離就是裝載機(jī)的最大卸載高度。根據(jù)動(dòng)臂的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)最大卸載高度，保證工作裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不受限制。

3輪式裝載機(jī)動(dòng)臂工作裝置應(yīng)力分析

3.1作業(yè)阻力分析

裝載機(jī)作業(yè)時(shí)的主要工況有鏟掘工作（包括插入工況、鏟裝工況）、舉升工作和裝卸工況，其中在鏟掘工作時(shí)，裝載機(jī)工作裝置承載力最高。針對(duì)各種材料具有不同的鏟掘方式，以下將重點(diǎn)闡述一些典型的鏟掘方式：（1）一次單獨(dú)鏟掘法，首先啟動(dòng)裝載機(jī)后，鏟斗的轉(zhuǎn)斗刃進(jìn)入物料，直至與鏟斗底板尺寸相同的深度，此時(shí)裝載機(jī)停止前進(jìn)，并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)斗油缸，將鏟斗向上翻轉(zhuǎn)至接近水平位置[7]。這個(gè)辦法是在施工上最常使用的方法。用此辦法時(shí)，進(jìn)入材料的深度越長(zhǎng)，因此鏟斗鏟入的材料也多，而這又要求裝載機(jī)用很大的驅(qū)動(dòng)力來克服作業(yè)摩擦力。而當(dāng)對(duì)裝載材料的鏟斗進(jìn)行翻轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)斗油缸就需要很大的驅(qū)動(dòng)力了[8]。（2）分段鏟掘法，當(dāng)材料較不易被插入時(shí)，要首先使鏟斗進(jìn)入一定深度，然后停止裝載機(jī)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)舉升油缸，使動(dòng)臂上升一定高度后，再繼續(xù)啟動(dòng)裝載機(jī)。要使鏟斗完全裝滿就必須不斷的插入和提升，所以機(jī)械工作裝置必須完成多次或重復(fù)的作業(yè)。（3）配合鏟裝法，啟動(dòng)裝載機(jī)，使鏟斗的斗刃進(jìn)入目標(biāo)物料，當(dāng)達(dá)到一定深度時(shí)，裝載機(jī)前進(jìn)，同時(shí)配合鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動(dòng)臂的提升力，或僅翻轉(zhuǎn)鏟斗。這個(gè)方案必須將裝載機(jī)前進(jìn)的速度與翻轉(zhuǎn)鏟斗或舉升動(dòng)臂協(xié)調(diào)好，而且要求駕駛員具有較高水平的技能[9]。由于沒有一次單獨(dú)鏟掘進(jìn)入深度過深，故所受作業(yè)阻力相對(duì)較小。但不同的鏟掘方式所引起的作業(yè)阻礙也不盡相同，主要包括鏟斗進(jìn)入物料時(shí)的進(jìn)入摩擦力、轉(zhuǎn)斗時(shí)的摩擦力矩和動(dòng)臂舉升的掘起摩擦力。

3.2工況選擇

當(dāng)處于鏟掘狀態(tài)下時(shí)，由于裝載機(jī)所采用的鏟掘方法不同，動(dòng)臂將會(huì)被從不同角度插入到鏟掘物體當(dāng)中，此時(shí)形成的掘起阻力和插入阻力都會(huì)產(chǎn)生明顯差異。為更好的了解動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況，本文討論動(dòng)臂的三種典型受力情況：（1）動(dòng)臂的鏟斗部位插入物料以后，需將設(shè)備的舉升油缸和轉(zhuǎn)斗油缸均關(guān)閉，此時(shí)裝載機(jī)的工作裝置承受的是水平作用力。（2）如果動(dòng)臂的鏟斗已經(jīng)完成物料鏟入環(huán)節(jié)，此時(shí)需對(duì)轉(zhuǎn)斗油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使鏟斗成功翻轉(zhuǎn)，需將舉升油缸關(guān)閉，此時(shí)的裝載機(jī)工作裝置承受的是垂直作用力。（3）如果在將鏟斗插入到物料之時(shí)調(diào)整鏟斗，并使舉升油缸關(guān)閉或者是驅(qū)動(dòng)舉升油缸，讓動(dòng)臂處于舉升狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)斗油缸被關(guān)閉以后，工作裝置呈現(xiàn)出垂直承受作用力或者是水平承受作用力的情況。當(dāng)然，裝載機(jī)所鏟掘的材料本身如果是均勻狀態(tài)，則鏟斗承受的應(yīng)力也處于均勻分布狀態(tài)。

3.3工作裝置機(jī)構(gòu)受力分析

裝載機(jī)工作裝置是空間靜定系統(tǒng)，但是為了計(jì)算方便，將其簡(jiǎn)化成平面靜定系統(tǒng)。簡(jiǎn)化時(shí)，必須作如下假定：各個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部材質(zhì)是連續(xù)的、均質(zhì)的各向同性，在自然狀況下認(rèn)為其內(nèi)部無殘余應(yīng)力;忽略鉸座作用所形成的增加力矩;忽視鏟斗和動(dòng)臂橫梁對(duì)其他各結(jié)構(gòu)受力與變形的影響：而忽視運(yùn)動(dòng)工作過程中，在加速、振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的增加負(fù)荷;假定動(dòng)臂、搖臂、連桿機(jī)構(gòu)的軸在一個(gè)平面內(nèi)，而忽視各桿件不在一個(gè)平面位置內(nèi)時(shí)所產(chǎn)生的力矩。偏載受力工況時(shí)，將鏟斗簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁。如圖3所示為輪式裝卸機(jī)工作裝置受力分析簡(jiǎn)圖。

3.4動(dòng)臂的有限元分析

目前學(xué)術(shù)領(lǐng)域中比較常見的用于構(gòu)建輪式裝載機(jī)工作裝置動(dòng)臂模型的方法有ANSYS，雖然該種方法具備自建模的功能，但所呈現(xiàn)出的模型功能有限。本文選擇構(gòu)建動(dòng)臂有限元模型，采用了Pro/E這種比較簡(jiǎn)單的三維繪圖軟件，雖然功能簡(jiǎn)單，但建模思路更加清晰。將該模型構(gòu)建完成以后，繼續(xù)與ANSYS結(jié)合，完成裝載機(jī)動(dòng)臂模型構(gòu)建。

本文借助ANSYS對(duì)動(dòng)臂展開有限元分析，了解動(dòng)臂的應(yīng)力情況，主要遵從如下步驟展開分析：（1）單元類型分析。本次借助SOLID95實(shí)體單元作為應(yīng)力分析的主要單元，了解到型號(hào)為ZL50G的裝載機(jī)動(dòng)臂選擇的材料為15 Mn，而密度則是7.8×103 kg/m，此時(shí)的彈性模量達(dá)到了2.07e Pa，而泊松比數(shù)值則是0.30，屈服極限則是343 MPa。（2）網(wǎng)格劃分。目前所形成的網(wǎng)格劃分方式有很多，其中包含了影射網(wǎng)格劃分、自由網(wǎng)格劃分以及混合網(wǎng)格劃分等多種形式。本次研究期間，主要以自由網(wǎng)格劃分為主。（3）在確定動(dòng)臂類型以后，明確裝載機(jī)的具體工況狀態(tài)，設(shè)置動(dòng)臂模型分析方式。例如，在約束條件確定情況下，裝載機(jī)中的動(dòng)臂和舉升油缸、機(jī)架等位置均處于鉸連接的狀態(tài)，各個(gè)構(gòu)件之間可以相對(duì)傳動(dòng)。此時(shí)分析動(dòng)臂應(yīng)力情況，需開展多次柱坐標(biāo)系構(gòu)件。此時(shí)為了簡(jiǎn)化模型計(jì)算，可將舉升油缸、車架以及動(dòng)臂等鉸接點(diǎn)所有的自由度進(jìn)行約束。

如圖4所示為經(jīng)過有限元模型分析后的裝載機(jī)動(dòng)臂應(yīng)力分布情況，從圖中的數(shù)據(jù)可以了解到在特定工況下，動(dòng)臂的應(yīng)力分布基本一致，均屬于偏載一側(cè)應(yīng)力比另外一側(cè)大的情況。

4結(jié)語(yǔ)

總而言之，裝載機(jī)是一種廣泛用作于道路鋪筑、煤礦采取、港口建筑等領(lǐng)域施工的鏟裝及施工機(jī)具，它主要用于鏟運(yùn)沙石、土灰、煤炭等散碎的材料，在一定程度上也可以進(jìn)行輕度鏟挖作業(yè)，如對(duì)堅(jiān)硬土塊、礦砂等材料的鏟取，而在路面施工過程中，裝載機(jī)也可用來填挖道路、推運(yùn)土方，以及填裝瀝青和混凝土等作業(yè)。由于裝載機(jī)具備行駛速度快、鏟運(yùn)效率高、使用范圍廣、易于使用等優(yōu)勢(shì)，所以，裝載機(jī)在工程機(jī)械領(lǐng)域中占有非常重要的地位。本文對(duì)輪式裝載機(jī)的工作裝置應(yīng)力展開分析，了解工作裝置受力情況，并以有限元分析方式對(duì)工作裝置中的動(dòng)臂裝置進(jìn)行討論，了解到工作裝置應(yīng)力受到的具體影響，方便輪式裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)，有效規(guī)避外界因素對(duì)工作裝置應(yīng)力產(chǎn)生干擾。

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Stress Analysis of Working Device of Wheel Loader

SONG Linfeng

（Shandong Mingyu Heavy Industry Machinery Co.，Ltd.，Yantai Shandong 261433）

Abstract：Wheel loader is a kind of heavy machinery and equipment，which is mainly used in the construction of construction projects，and it is the main auxiliary tool for building materials. At present，the widest application range is the reversal six-bar mechanism. Compared with other structures，this structure not only has better automatic flat-laying performance，but also has a large shoveling force and a more compact overall structure. This article analyzes the working device of the wheel loader，and the boom is the main research object，and analyzes the stress distribution of the working device of the boom.

Keywords：wheel loader;boom;working device;stress