装载车通用铲斗作业装置摇臂受力分析

装载车通用铲斗作业装置摇臂受力分析

0工作装置结构模型分析装载是一种通用于矿山、铁路隧道和港口建筑物的石工程机械。主要从事砂、矿、灰等材料，主要完成切割、装载、搬运等工作。在一些煤矿等原材料的集料、装料等作业过程中,装载机具有操作简单方便、使用结实可靠,并且其运输速度快,效率高,已经成为煤矿机械中重要的工程机械之一。装载机的作业工况一般在户外,周边环境极其恶劣,其承担的作业任务一般也比较大,因此对装载机工作装置的结构强度及可靠性有较高的要求。本文对工作装置的主要零部件,如动臂、摇臂、连杆及铲斗等进行实体建模并装配,模拟工作装置的工作状况。确定典型最危险工况,对工作装置进行了力学模型简化及受力分析。基于分析软件ANSYS,对工作装置的关键件摇臂进行静力学分析和疲劳可靠性分析,指出摇臂构件的易损部位,并在此基础上提出改进措施,这对提高构件的可靠度及新零件的设计有一定的指导意义。1结构原理和简化(1)工作装置的工作原理装载机的铲斗工作装置是转斗油缸后置式反转六连杆机构。反转六连杆机械机构的组成主要包括:铲斗、动臂、摇臂及连杆组成的四连杆机构和转斗油缸、举升油缸。装载机通过其工作装置实现铲斗的空间起升及前进运动。图1为工作装置的三维模型图。工作原理:铲斗用来装载物料,举升油缸通过动臂来起升铲斗,转斗油缸通过摇臂、连杆使铲斗产生转动,以卸载物料。工作过程:举升油缸收回,动臂被放置到下极限位置,铲斗贴近地面,装载机前进,铲斗插入物料。举升油缸停止工作,转斗油缸开始作用,摇臂回转,使铲斗发生转动,物料被装载在铲斗里面。此后,转斗油缸停止工作,举升油缸开始工作,物料被抬举到指定位置。转斗油缸开始工作,转动铲斗,卸载物料,完成一个工作流程。举升油缸接着开始工作,下放铲斗至地面,进入下一个工作循环。图2为最危险工况下的工作装置力学模型简化示意图。图中摇臂在最危险角度工况下时受力状况恶劣,承受物料以及铲斗结构的力矩及其他阻力矩,且摇臂机构的形状、尺寸受空间限制,相对其他构件而言易受损坏,选为关键件进行分析。(2)摇臂与转斗油缸的角度分布对工作装置进行简化,选取工作装置最危险的工作状况。以铲斗和连杆作为研究对象,将其他构件等效为力或力矩施加在连杆上,则图2所示结构受力分析图为图3所示。图中各段分别为长度l1=300mm,lab=300mm,ab与水平线的夹角为80°,bc与水平线的夹角为30°,等效力F大小为铲斗处于最大危险角度工作状态时自身重量与所支承重量之和,其最大值为15kN,进行力的作用点平移后作用于图M点。由平面力系的受力分析情况,对于a点,∑M=0得到其平衡方程为经过计算,可得装载机工作装置最危险工况时摇臂c铰接点所受的力Fcb=15962.7N,其方向为与水平线顺时针成30°夹角。取最危险工况下的摇臂和转斗油缸为研究对象,受力分析如图4所示。图4中各段的长度分别为lcd=408mm,lde=408mm,摇臂ce与转斗油缸的夹角为90°,转斗油缸的f段作为一个固定铰支座处理。由平面力系的受力分析情况,对于d点,∑M=0,得到其平衡方程为经过计算,装载机最危险工况转斗油缸所施加给摇臂ce的力Ffe=15418.8N,其方向与水平线成45°夹角。2模拟计算2.1摇臂的运动仿真运用ANSYSWorkbench对摇臂进行强度及疲劳可靠性分析。将平行板零件模型导入ANSYS,设置材料结构钢,弹性模量2.0×1011MPa,泊松比0.3,材料的极限抗拉强度460MPa。对摇臂划分网格,设置网格类型为自由网格,网格大小10mm。根据图3所示摇臂在最大危险工况受力的状况,对摇臂施加约束和载荷(理论分析时的坐标系与ANSYS中默认的坐标系不同,仿真中所施加的载荷为坐标系转化之后的载荷)。中部的铰孔施加圆柱约束,B、C节点分别施以对应的力,如图5所示。2.2计算解决方案和结果分析(1)摇臂位移和应力在以上网格划分及加载的基础上,对模型进行求解。在最危险的工况下,根据实际工作中的动作要求,该机构工作过程可简化为静力平衡过程,设置求解类型为静力学分析。求解可得到最危险工况下的摇臂位移、应力云图(图略)。由摇臂位移云图可以看出,最大位移处于摇臂两端,大小为0.32mm,远小于摇臂自身长度816mm,在工程中可将该构件变形引起的位移忽略或通过其他方式进行补偿;由摇臂应力云图可以看出,构件的最大应力为64.449MPa,最大应力点位于中间铰孔周边,与材料的许用应力460MPa相比是很小的。理想的静力学状态下,即使构件在最危险工况下承受最大的工作力,也是安全的。(2)摇臂疲劳分析装载车在工作及装卸过程当中,受载重及动作形态的影响,摇臂的受力情况复杂多变,且由于装载机工作任务的繁重,摇臂要多次循环经历最危险的工况,因此确定摇臂的安全系数不低于2。要求摇臂承受图1所示的动作形态下50%~150%的循环应力,承载次数≥300000次,疲劳强度系数为0.8。对摇臂进行疲劳可靠性分析。插入疲劳分析工具,设置每次加载的时间间隔为60ms,定义加载类型为比率加载,比率的变化为0.5~1.5,分析类型为应力-寿命分析,设计寿命为300000次循环加载。可求解得摇臂的安全系数云图(略)。由摇臂安全系数云图可以看出中部圆孔处安全系数为最低,大小为1.0692,这个安全系数值是比较低的。这说明该构件不能满足设计时预定的加载条件及工作循环次数,在工作循环过多的情况下,易发生裂纹或断裂现象。在疲劳分析工具中,插入疲劳敏感度分析,计算该构件在承受不同大小的载荷情况下的使用寿命,设置载荷变化范围为最大工作载荷的30%~200%,可得寿命对载荷的敏感度曲线(略)。由摇臂疲劳敏感度曲线可以看出,当加载大于最大工作载荷1.1倍最大承重以后,构件可承受的加载次数急剧下降,寿命迅速降低。因此在设计、使用中应杜绝对构件施加该范围内的载荷。3中部铰孔周边电力系统分析根据装载车的结构特点,分析选择了该车工作装置的摇臂作为关键件,并结合装载车的实际工作状况,对在工作装置最危险工况下的摇臂进行静力学及可靠性分析,得出以下结论:(1)在静平衡状态下,摇臂能够满足最大工作载荷,其最大应力点位于中部铰孔周边,因此在设计时中部铰孔周边可以考虑适当加厚及采取一些减小应力集中的措施;(2)在实际工作与装卸过程中,摇臂受力状态复杂,在多次、变化的载荷作用下,该构件各部位安全系数差别很大,其最小值位于中部铰孔周边,为1.0692,长期工作,此处易发生裂纹或断裂。摇臂不能很好地满足最危险工作的可靠性要求;(3)在相同的加载条件下,摇臂的敏感度曲线表明,当受力超过最大额定值的1.1倍后,其寿命迅速减小。因此要尽量避免装载车的超负