装载机摇臂结构强度有限元分析.pdf
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1、第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()装载机摇臂结构强度有限元分析王国栋,晁晓洁(重庆移通学院 智能工程学院,重庆 )摘要:t轮式装载机在市场中占比较大,摇臂是装载机工作装置中实现装载机铲斗铲运功能的重要部件,在工作中因其受力较大也是装载机上比较容易失效的结构件之一.利用UG建立了t轮式装载机摇臂的三维实体模型,将模型导入AN S Y SW o r k b e n c h中,并针对摇臂在两种典型工况条件下的受力情况进行了结构强度分析,得到了摇臂在两
2、种典型工况条件下的应力分布云图,找出了摇臂应力较大的部位,为装载机的使用及摇臂的结构设计改进提供了理论依据.关键词:装载机;摇臂;有限元分析中图分类号:T P TH 文献标识码:A收稿日期:;修订日期:作者简介:王国栋(),男,山东单县人,高级工程师,硕士,研究方向:机械设计、有限元分析、运动仿真等.引言轮式装载机是以轮胎专用底盘为基础的一种工程机械,前端装有主要用于装载作业的铲斗或其他工作装置,如抓木机、抓草机等装置,但其主要功用为散装物料的装、卸、堆等,除此以外还可以进行铲运、牵引和提升作业.装载机具有可进行连续长时间的作业、工作强度大、效率高、机动灵活、使用范围广等优点,被广泛应用于建筑
3、、矿山、铁路和公路等各个行业.与其他工程机械产品一样,装载机也要面对复杂恶劣的工作环境.轮式装载机的工作装置有很多类型,如平行四边形机构、T P连杆机构、反转六连杆机构等.但目前采用最多的是反转六连杆机构,反转六连杆机构中又分为单摇臂和双摇臂两种结构形式,单摇臂的结构形式是目前应用最为广泛的一种.在作业过程中翻斗油缸的作用力直接作用在摇臂上,通过摇臂传递较大的转斗油缸作用力,因此摇臂是装载机工作装置实现正常作业非常关键的部件之一,同时因其受力较大也是故障率较高的部件之一.在恶劣的工作条件下要保证装载机的高可靠性,就必须要求摇臂具有足够的强度,因此不论装载机在设计阶段还是在结构改进过程中,对摇臂
4、进行强度分析都是必不可少的一个重要环节.A N S Y SW o r k b e n c h软件概述AN S Y S W o r k b e n c h作为新一代多物理场协同C A E仿真环境,把AN S Y S系列产品都融合在了统一的仿真平台内,使数据的传递和共享实现了无缝衔接.本文分析主要应用了AN S Y S W o r k b e n c h中的两个模块,即DM D e s i g nM o d e l模块和D e s i g nS i m u l a t i o n模块.C A D几何模型的建立通过DM D e s i g n M o d e l模块进行,为分析作模型准备,网格的划分
5、、求解以及后处理 通 过D e s i g nS i m u l a t i o n模 块 实 现.AN S Y SW o r k b e n c h具有比经典AN S Y S更友好的人机界面,集成了经典AN S Y S的许多命令,流程化的分析使其更适用于工程设计人员进行产品设计分析时使用.摇臂的有限元分析 建立摇臂有限元模型在应用有限元分析软件进行受力分析时,应尽可能保持模型与实际的结构一致,这样可以获得较为准确的应力分布,并且便于边界条件的施加.因此为保证t装载机摇臂分析结果的可靠性,在进行模型搭建时保留了动臂焊合总成、摇臂总成、转斗油缸、动臂举升油缸、拉杆和铲斗等主要总成部件.装载机工作
6、装置均通过钢板焊接而成,零部件结构类型较多、板厚不一,结构较为复杂.DM D e s i g n M o d e l模块虽然可以进行三维模型搭建,但相对专业的三维设计软件来说,操作较为复杂,效率较低,且模型精度不高.本文利用UG软件建立t轮式装载机工作装置的三维装配实体模型,然后利用AN S Y S W o r k b e n c h平台模型导入的功能,将搭建好的三维模型直接导入AN S Y S,可大大提高工作效率及模型质量.由于三维设计软件所搭建的模型与有限元分析中所需要的模型不尽相同,通常并不能直接将其转化成有限元分析模型.为保证网格划分质量,提高分析的效率,需对模型进行必要的简化,如对分
7、析结果不影响的螺纹、不必要的圆角、倒角等结构需将其去除,但要保留危险部位的细节结构.本次分析所关注的部件为摇臂,对其他不关注的部件,如油缸结构的强度,在模型简化时将其简化处理,经简化处理后的工作装置模型如图所示.图简化后的工作装置模型 材料特性参数摇臂目前常用的结构为箱式结构,该类型的结构主要是由中厚钢板焊接而成,强度及刚度较高.摇臂所选用的材料 均为在工程 机械上应用 非常广泛的Q A低合金高强度结构钢,该材料具有良好的综合力学性能,其相应的材料属性如表所示.表Q A材料特性参数弹性模量(G P a)泊松比密度(k g/m)屈服强度(MP a)许用应力(MP a)抗拉强度(MP a)延伸率(
8、)典型工况分析及边界条件根据经验及相关资料,结合装载机工作的典型工况,本文对在两种典型极限工况下的摇臂进行强度分析.首先按照t装载机总体载荷计算书 计算此次分析的两种典型工况载荷.()典型工况一:摇臂承受转斗油缸最大油缸力.当铲斗收起并使铲斗与动臂限位以后,继续操作收紧铲斗,液压系统的压力将会达到设定的最大值,此时最大转斗油缸作用力Fm a x将作用于摇臂上,如图所示.图摇臂承受转斗油缸最大作用力图中,摇臂受到的转斗油缸最大作用力为:Fm a xPm a xS()其中:Pm a x为转斗油缸的最大工作压力,Pm a x M P a;S为转斗油缸压力腔有效面积,S mm.将相关参数代入式()进行
9、计算,得Fm a x N.()典型工况二:铲斗斗齿插入物料并进行推铲.此种工况装载机的工作状态如图所示,翻转铲斗使铲斗斗齿着地,在空载状态下插入物料并进行推铲作业.对此种特殊工况条件下进行强度分析,以校核其强度是否满足此种工况条件下的强度要求.图铲斗斗齿插入物料并进行推铲在特殊工况下插入物料时的作用力由斗齿前端承受,作用力的大小为装载机空载时的最大牵引力.该装载机在空载时整机的重量为 k g,附着系数为,由此可计算 出 其 最 大 静 摩 擦 力F N,该载荷即为铲斗斗齿前端所应施加的载荷,有限元分析模型如图所示.图斗齿插入物料并进行推铲工况下的载荷施加摇臂上端与翻斗油缸通过销轴铰接在一起,中
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