装载机动臂的有限元分析及改进

1、收稿日期:2009-12-14作者简介:周华祥(1975 ,男,湖北汉川人,讲师,硕士。do:i 10.3969/.j issn .1008-8245.2010.05.004装载机动臂的有限元分析及改进周华祥 黄 磊(黄石理工学院机电工程学院,湖北黄石435003摘 要:动臂是装载机工作装置最重要的构件,其强度状况对工作装置的性能和寿命有直接的影响。在装载机的实际工作过程中,铲斗经常受偏载作用,此时工作装置除承受正载外,还承受附加弯矩作用,从而导致铲斗和动臂的变形。在这2种工况下对动臂进行有限元分析,得出动臂的应力集中区域和应力分布云图,提出了改进工作装置结构的措施。关键词:偏载;动臂;有限元

2、中图分类号:TH 123+.4 文献标识码:A 文章编号:1008-8245(201005-0012-03Fi nite E le m e nt Analysis and Im prove m ent of Loader Boo mZ HOU H uaxiang H U ANG L ei(Schoo l ofM echan i ca l and E l ectron i c Eng i nee ri ng ,Huangsh i Instit ute o f T echno logy ,H uangshiH ube i 435003Abstrac t :The Boo m i s t he m

3、ost i m po rtan t co m ponen t o f t he l oader .T he strength cond iti ons exe rt a direct influence on the life expectancy and the perfor m ance of t he l oadi ng equip m ents .In the prac tica lwo rk o f the loader ,the bucket has been o ften partia.l A t this ti m e the l oading dev ice has to b

4、ear t he add iti onal bend i ng m om ent i n add iti on to t he nor m a l load i ng ,wh i ch resu lts i n the de for m ati on o f the bucke t and the boom.T he fi nite e l em ent ana l y si s has been done under these t wo cond iti ons and the stress concen trati on a rea and stress d istri buti on

5、a rea of the boo m have been obta i ned and m easures have been put fo r w ard to i m prove t he co m ponents of the loader correspond i ng ly .K ey word s :parti a l l oad ;boom ;finite e le m ent0 引言轮式装载机属于铲土运输机械类,具有作业速度快、效率高、机动性能好、操作轻便等优点,是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。我国装载机在结构设计强度等方面设计上存在很多问题。以往采取的 类比试凑!设计方

6、法在一定程度上存在盲目性,容易形成设计中的 人为!应力集中点,造成机构整体强度的削弱甚至破坏。动臂是装载机的主要结构部件,是铲斗和摇臂的主要结构支撑件。采用现代设计方法中的有限元方法,对装载机在极限工况下的状态进行分析,得到工作装置整体的应力及变形分布,为动臂的结构减重和提高使用寿命提供现实依据。1 装载机动臂有限元分析1.1 装载机动臂有限元概述在装载机的实际工作过程中,铲斗经常受偏载作用,此时工作装置除承受正载外,还承受附加弯矩作用,从而导致铲斗和动臂的变形。装载机装卸物料的作业是由水平切入料堆、转斗、提升后退、重载行驶和卸载行驶等5段动作完成的。分第26卷 第5期2010年10月 黄 石

7、 理 工 学 院 学 报J OURNA L O F HUANG S H I INST ITUT E OF TEC HNOLOGYV o.l 26 N o .5O ct . 2010析以上作业过程发现:装载机在铲入物料堆及把物料堆举升到最高处时有最大的水平和垂直载荷。选取动臂所受最大载荷的2种工况进行研究,即插入工况和举升工况。1.2 装载机动臂有限元建模单元类型:装载机动臂是由动臂板、横梁、摇臂支耳焊接而成的,选取采用SOLI D 45实体单元作为分析的单元类型。材料属性:装载机动臂由16M n 组成,其中动臂上的轴套由Q 235-D 组成。网格划分:形式为自由划分,采用三角形形状划分,共产生

8、1361个节点,3664个单元,精度适中。ZL50装载机动臂网络划分模型如图1所示。动臂的上铰点与前车架铰接处固定,下铰点与铲斗铰接处可在XY 轴平面内摆动,举升油缸与动臂铰接处可在XY 平面内摆动,摇臂支耳铰点在本文分析的2种工况中所受的应力过小,可以忽略不计 。图1 装载机动臂的网络划分模型在工作状态下,动臂受到铲斗自重和举升油缸的联合作用。自重为17500kg ,最大牵引力为146kN 。铅垂方向的荷载即在举升工况时,由动臂所受的物料重力和铲斗自重的合力形成,合计6.5t 。水平方向荷载即插入力是由装载机插入物料堆时所受的牵引力和滚动阻力的合力,为X 方向。F =F 牵引力-F 滚动阻力

9、=141712.5N 。分别对以下2种工况装载机动臂的应力和变形进行了计算:(1插入工况:动臂下放,铲斗放置于地面,斗尖触地,斗底板与地面呈35倾角,开动装载机,铲斗借助机器的牵引力插入料堆。此时装载机动臂下铰点与铲斗铰接处有最大插入力。该工况下的有限元分析如图2、3、4所 示。图2 动臂的合位移图3 动臂的等效应力图图4 最大等效应力部位动臂在X 、Y 、Z 方向上的合位移的最大值为9.201mm 。动臂的最大等效应力为374.934M Pa 。最大等效应力部位处于动臂的上铰点处。(2举升工况:保持转斗缸长度不变,操作举升缸,将动臂升至上限位置,准备卸载。该工况下的有限元分析如图5、6所示。

10、由图56可以看出,动臂的最大等效应力为565.147MP a 。最大等效应力部位也处于动臂的上铰点处。2种工况下动臂下铰点最大变形和应力集中部位所受最大应力情况如表12所示。第5期 周华祥 黄 磊:装载机动臂的有限元分析及改进13 图5 动臂的等效应力图 图6 最大等效应力部位表1 2种工况下动臂下铰点最大变形单位:mm变形工况动臂下铰点最大变形UX UY UZ USU M插入工况6.5736.6310.6659.201举升工况8.7688.9521.02212.388表2 2种工况下动臂应力集中部位所受最大应力单位:M Pa应力工况 X方向最大应力Y方向最大应力Z方向最大应力XY方向最大剪应

11、力YZ方向最大剪应力XZ方向最大剪应力最大等效应力插入工况550.964246.557233.377121.86751.48661.043374.934举升工况829.091366.37349.079182.84775.95691.62565.147由以上分析可知:装载机在举升工况时动臂所受应力最大,且有应力集中现象。装载机动臂的材料和形状,能够满足其工作时的强度。由应力云图可知,动臂的最大变形为12.388mm,变形较小,材料的刚度足够。可见该动臂满足各种工况下的工作要求。2 装载机动臂有限元改进措施从应力图中可以看出动臂的主要应力集中部位是动臂上铰点与前车架铰接处,因此我们需要在这些地方采

12、取措施减少应力,提高它的使用寿命和安全性。消除或减少应力的具体方法有:(1热处理:去应力退火又称低温退火(或高温回火,这种退火主要用来消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除,将会引起钢件在一段时间以后,或在随后的加工过程中产生变形或裂纹。(2可以在有应力集中的地方加肋板,这样可以防止因应力集中而造成的疲劳断裂,从而提高动臂的使用寿命和安全性。(3可以在应力集中的地方设计卸荷槽、倒角等等。(4针对有应力集中的地方在设计时,可以再次设计为圆角,尽量以圆弧过渡,这样就可以消除一部分的应力集中现象。(5改进设计加工工艺技术。如采取控制加工温度、保压压力和保压时间、金属

13、嵌件的预热和冷却时间等等消除应力的措施。在保证原有的工作可靠性和安全性的基础上,降低生产成本。采取Q235代替16M n钢、适当加宽动臂板宽度(宽度增加5mm、在应力较大的部位加宽动臂板横截面积等方法,增强其安全系数。在应力集中的地方,加上16M n钢做的钢套。这样改进之后,再用软件对其进行静力分析,二次改进后,动臂在举升工况下的等效应力图如图7所示,图8为动臂的合位移。最大集中应力为363.254M Pa,动臂的最大变形为8.952mm,较之未改进之前最大集中应力和最大变形都有了明显的改观。(下转第17页14 黄 石 理 工 学 院 学 报 2010年(3进行分析测量。以太阳轮2作为研究对象

14、,分析其运动轨迹、速度、加速度与时间的关系。得到的运动仿真分析结果如图12、13所 示。 图12 分析定义 图13 测量结果4 结论本文介绍了利用Pro /E 建立2K -H 型周转轮系机构的实体模型,并进行模拟运动仿真,以便及早发现机构参数设计上的错误,从而减少了物理样品试制过程中出现的各种问题,缩短了新产品的开发周期。其结果形象直观,仿真效果良好,为机构的设计提供了一种方便、实用的分析方法。这样不仅使产品的设计效率和可靠性明显提高,也为企业产品的早日推出争取了时间4。参考文献1 王吉奎,陈志刚.基于P ro /E 及A DAM S 的反铲式挖掘机工作装置机构的建模与运动仿真J.现代制造工程

15、,2006(5:135-1362 卢存光,段钦华.2K -H 型行星轮系的功率流、效率与自锁J.机械设计与研究,2007(4:39-403 黄爱文,卢炎麟.基于P ro /E 的反铲式挖掘机工作装置的建模与运动仿真J.煤矿机械,2008(9:52-534 邢亮,沈豫鄂.PRO E 运动仿真中单向匀速电机实现往复直线运动的方式及分析J.舰船电子工程,2009(9:193-197(责任编辑 梅军进(上接第14页 图7 动臂的等效应力 图图8 动臂的合位移3 结束语本文分别对插入和举升2种工况下装载机动臂的应力和变形进行了计算,得出动臂的应力集中区域和应力分布云图,并提出了改进工作装置结构的措施。参考文献1 刘涛,杨凤鹏.精通ANS