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挖掘机铲斗结构优化

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/3/13     浏览次数:    
  挖掘机铲斗结构优化
  摘要:采用传统的方法对挖掘机反铲工作装置的铲斗进行结构优化存在工作量大、不精确和不直观等缺点.利用Pro/E三维软件建立WY100C液压挖掘机铲斗实体模型,并应用Pro/Mechanica模块对挖掘机铲斗的设计模型在受最大应力的危险工况下挖掘时进行强度分析和变形分析.在证明了WY100-C挖掘机铲斗的设计满足强度要求前提下,运用参数优化设计的方法对铲斗的结构进行优化,减轻铲斗的重量,改善了铲斗的结构,为挖掘机铲斗的设计改进提供了理论依据,对其它液压挖掘机铲斗的研制开发也有一定的借鉴意义.
  关键词:液压挖掘机;铲斗;强度分析;结构优化;
  0引言

  液压挖掘机是一种重要的工程机械,广泛应用在国民经济建设的各部门以及军事工程上,对减轻繁重的体力劳动,加快施工进度,提高劳动生产率起了很大作用[1].液压挖掘机铲斗是完成液压挖掘机各项作业任务的主要承载部件,其结构的合理性直接影响到液压挖掘机的工作性能.本文以WY100-C液压挖掘机的铲斗(斗容量为1m3)为研究对象,结合实际作业工况,应用工程设计中的有限元分析技术对工程中易发生磨损的铲斗进行强度分析,校验了WY100-C挖掘机铲斗设计是否满足强度要求,运用参数优化设计的方法对铲斗的结构进行改进,为挖掘机的设计提出了一种较为精确、简便、经济、省时的设计方法,具有较高的实际工程价值.

  1确定受最大应力的危险工况
  根据液压挖掘机工作几何状态和各种可能组合,对铲斗在所有作业工况及其挖掘过程中的各个位置进行作用力分析;对铲斗油缸工作时施加载荷及限制,包括铲斗油缸工作时的挖掘力、动臂油缸闭锁限制的挖掘力、斗杆油缸闭锁限制的挖掘力、整机稳定性限制的挖掘力;对铲斗油缸工作时施加载荷及限制,包括斗杆油缸工作时的挖掘力、动臂油缸限制时的挖掘力、铲斗油缸工作时的挖掘力、整机稳定性限制的挖掘;得到铲斗和斗杆油缸工作时实际发挥的挖掘力,确定最危险的作业工况.
  根据铲斗工作情况分析可以得出,铲斗受最大应力的危险工况发生在用铲斗油缸进行挖掘的时候,动臂位于最低(动臂油缸全缩),斗杆位于斗杆油缸作用力臂最大处(斗杆油缸与斗杆尾部轴线夹角为90°时),斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上,铲斗的具体受力数值为:水平受力为83074.6N,竖直受力为49656.6N,重力为9039.27N(重力加速度取9800mm/s-2).
  2建立挖掘机铲斗实体模型
  铲斗模型比较复杂,首先根据已知尺寸做出精确界面曲线,然后通过拉伸、阵列等一系列操作做出实体模型如图1所示.在Pro/E中进行WY100C挖掘机的铲斗三维实体造型时,为方便划分网格,将对结果不产生影响的结构忽略,对模型进行简化.
  图1铲斗三维模型3挖掘机铲斗强度分析有限元强度分析的过程是:
  a.前处理,施加材料参数和载荷约束条件,进行网格划分.
  b.通过软件进行有限元分析计算.
  c.后处理模块,将计算结果以彩色等值线、梯度、矢量等形式显示,也可以图表、曲线形式显示或输出.
  3 挖掘机铲斗强度分析
  有限元强度分析的过程是 :
  a .前处理 ,施加材料参数和载荷约束条件 , 进行网格划分 .
  b.通过软件进行有限元分析计算 .
  c.后处理模块 , 将计算结果以彩色等值线 、梯度 、矢量等形式显示 ,也可以图表 、曲线形式显示或输出 .
  3.1确定材料条件WY100C铲斗两侧板采用材料的是20CrMnMo,其它部分用16Mn材料,采用20CrMnMo主要是为了耐磨和抗疲劳,以往经验可知危险位置不在侧壁,分析时整体采用16Mn,20CrMnMo各项性能均优于16Mn,所以这样不但不影响分析的结果,还简化了分析过程.材料参数如表1所示.
  .2进行网格划分有限元分析很重要的一步就是对模型进行有限楷体元网格划分.进入Pro/Mechanica模块,建立挖掘机铲斗的有限元网格模型,其中包括:单元类型、材料属性,选用四面体单元进行网格划分[5].从运算时间和精度上考虑,以网格全局单元尺寸最大175mm、最小5mm进行自动网格划分,从而生成铲斗的有限元网格模型.8021实体单元如图2所示.
  3.3加载荷和确定约束条件根据Pro/Mechanica模块分析可知,以挖掘机铲斗最大受力状态作为强度分析工况,即假设铲斗的4个销孔固定.挖掘机铲斗主要承受的力是挖掘力水平分力与竖直分力的合力、侧向力和重力,侧向力对铲斗的受力状态影响不大,在这里忽略不计.对铲斗施加的约束和载荷,建立铲斗的有限元分析模型如图3所示.
  图3铲斗有限元分析模型3.4有限元强度分析结果完成了有限元分析的一系列前处理工作,准备模型、添加载荷、指定边界条件和划分网格之后进行解算,计算结果如表2所示.
  表2铲斗有限元静力分析结果最大剪应力(MPa)最大拉应力(MPa)最大等效应力(MPa)最大位移(mm)122.9250.6222.95.7889为了更加直观形象地将铲斗的强度分析结果表示出来,通过Pro/Mechanica分析模块的后处理程序,绘制出铲斗强度分析的应力如图4所示,位移如图5所示.
  铲斗具有足够的设计强度.铲斗的变形很小,最大位移量为5.7889mm.由图4可知,铲斗后壁耳板和侧壁受到的应力相对较小,可以通过结构优化来减小厚度,从而减轻铲斗重量,节省材料.
  4挖掘机铲斗的结构优化
  挖掘机铲斗的结构优化设计,是利用Pro/Mechanica模块直接调用建模参数的优化功能,对铲斗满足最大应力小于许用应力的约束条件下进行结构优化.Pro/Mechanica模块具有强大的设计计算功能,使优化设计更为方便,缩短了设计计算的时间.
  4.1定义优化参数并选择约束条件在Pro/Mechanica模块中创建优化设计参数如图6所示,然后点击模型,则模型上的尺寸都显示出来,从中选择需要优化的尺寸,设后壁耳板的厚度为z1,变化范围20~40mm,侧壁后部为z2,变化范围为15~30mm,侧壁前部为z3,变化范围为5~20楷体mm.确定目标函数为质量最小;约束条件设为最大应力小于243MPa,输入设计变量的范围,设定初值:z1为30mm,z2为24mm,z3为10mm;优化最大迭代间隔为5;其它选项接受默认值.
  图6参数设定4.2运行优化研究并升级模型进行强度分析根据物理内存的大小为运行分配内存,点击运行按钮,Pro/Mechanica开始自动对模型进行分析优化.如表3所示.
  表3优化前后参数对照表参数值z1(mm)z2(mm)z3(mm)铲斗质量(t)初始值3024100.92237优化值29.66222.71297.77320.90497对升级后的模型进行强度分析,铲斗强度分析的应力和位移分别如图7,图8所示.
  图7铲斗强度分析应力云图图8铲斗强度分析位移云图由图7,图8可知,优化后的铲斗内部最大应力不超过最大许用应力(243MPa),最大位移量(5.93mm)也完全满足设计要求.
  5结果分析
  a.应用Pro/Mechanica模块对铲斗在满足最大应力小于许用应力的约束条件下进行结构优化,减薄了后壁耳板和侧壁的厚度,从而减轻了铲斗的质量(质量由优化前的0.92237t减小到0.90497t),节省了材料.
  b.升级后的模型最大应力仍然出现在铲斗后壁耳板的根部,需要在铲斗后壁增加筋板,以此来化解应力集中,提高铲斗抗偏载、抗超载的能力.
  c.挖掘机的工作装置在挖掘过程中具有柔性,可以缓解力的作用,设备实际更为安全.
  6结束语

  利用Pro/Mechanica模块对挖掘机铲斗的实体模型,在受力最大的典型工况下挖掘时进行强度分析和变形分析,证明了铲斗具有足够的设计强度.利用Pro/Mechanica模块对危险工况下工作的铲斗,在满足最大应力小于许用应力的前提条件下进行结构优化设计,使铲斗重量明显减轻,尺寸分布更加趋于合理,不会在理论载荷范围内出现破坏,提高了铲斗设计的可靠性.


  参考文献:
  [1]同济大学.单斗液压挖掘机[M].北京:中国建筑工业出版社,1986.
  [2]陈玉峰.液压挖掘机工作装置运动与动力综合优化研究[D].重庆:重庆大学,2005.
  [3]林清安.Pro/E零件设计基础篇(上)Wildfire[M].北京:中国铁道出版社,2004.
  [4]鞠俭,张科,李力.利用NX3.0对装载机铲斗进行有限元分析[J].新疆农机化,2006,(5):34-35.
  [5]祝凌云,李斌.Pro/E运动仿真和有限元分析[M].
  北京:人民邮电出版社,2004.
  [6]孙志礼,冷兴聚,魏延刚,等.机械设计[M].沈阳:东北大学出版社,2000.

  [7]方建军,刘仕良.机械动态仿真与工程分析———Pro/EWild工程应用[M].北京:化学工业出版社,2004.


本文由 挖掘机破碎铲斗 整理编辑。

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