一種反鏟挖掘機斗桿的失效分析

沈文冰等

摘要：經調研分析，得知斗桿部件是挖掘機的關鍵組成部分，需要和鏟斗、液壓打樁錘等多種直接工作裝置相連并在復雜受力環境持續工作，故此認為斗桿是整個挖掘機工作裝置的薄弱環節。本文應用大型有限元分析軟件ANSYS及其LS-DYNA模塊針對斗桿的失效形式進行模態分析和工作過程模擬分析，并根據分析結果對斗桿的改進設計提出合理建議，為同類產品的設計制造提供理論依據。

關鍵詞：挖掘機；斗桿；ANSYS；LS-DYNA；疲勞失效

引言

反鏟挖掘機在礦山開采、冶金工業等領域應用廣泛，配置不同的作業裝置可以用來吊、夾、推等作業。斗桿是挖掘機的主要構件，結構復雜，承受著拉壓、彎曲、沖擊等多種形式的載荷，這些都是斗桿失效的因素，其主要失效形式為斷裂失效[1]。

1.斗桿斷裂形式分析

通過現場觀察得知斗桿的斷裂裂紋形式主要有兩種，一種是裂口平整，另一種是裂紋呈不規則走向并且發生不規則的畸變。對于第一種斷裂特點可以推斷為脆性斷裂，脆性斷裂的特點是無顯著的塑性變形， 斷口齊平而有光澤， 并能瞬時擴展到結構整體， 是突發破壞。斗桿斷裂發生部位多在焊縫及周圍母材。對于斷裂主要原因是斗桿的靜力學性能不滿足或者對過載和復雜工況比如溫度等因素考慮不全面造成的情況，本文不做研究。對于另外一種斷裂形式——疲勞斷裂，是在沒有明顯情況下突然發生的， 不易預防， 斷裂時的實際應力遠小于材料的強度極限或屈服極限，屬于低應力破壞，本文作重點研究。

2.斗桿的動力學性能分析

2.1斗桿的模態分析

疲勞主要是由于零部件在交變載荷下經過累積較長時間的工作而產生，更進一步的分析其疲勞機理，最容易產生工件疲勞的原因是外界的持續干擾頻率與工件自身的某一階固有頻率接近最終產生共振。因此對斗桿進行動力學分析，提取其模態信息為本文的研究重點。

本文應用ANSYS軟件對斗桿建模，因斗桿是鋼板的組焊結構，所以定義斗桿的單元類型為shell92單元以便更準確的計算。對斗桿模型以自由網格劃分的方式劃分有限單元體[2]形成有限單元模型。

斗桿材料為Q235-A，密度ρ=7850kg/cm?的，彈性模量E=196GPa，泊松比μ=0.31。對斗桿施加邊界條件為左端與動臂相連接的孔的內表面施加軸向移動約束，這樣簡化后的力學模型與實際符合。模態分析可提取多階的頻率和振型，但高階的振型對工件實際影響不顯著，所以本文只提取前三階模態，如圖2.2所示a、b、c、d分別為斗桿的前三階振型。

2.2 斗桿在不同工況下的響應分析

挖掘機在清除障礙、挖掘較松軟的土壤時，主要采用鏟斗液壓缸實施挖掘工作，即鏟斗挖掘工況。該種工作方式有利于生產率的提高。因此，在一般土方工程挖掘中（挖掘Ⅲ級以下土壤）鏟斗挖掘應用最為廣泛。在挖掘較堅硬的土質時，為了將鏟斗裝滿，挖掘機在實際工作中常以斗桿液壓缸驅動挖掘，即斗桿挖掘工況。在現實工作中，為了節約工作時間、提高工作效率，經常是兩種工況操作聯合使用，有時為了軌跡的控制需要，還配以動臂液壓缸的動作，本文將對該聯合使用的方式稱作工況三。

在2.1的模態分析結果基礎上，可知道斗桿的最危險工況始終存在于斗桿的中間處，為搞清三種工況下斗桿中間的應力情況，對三種工況進行諧響應分析[3]。

利用LS-DYNA對所建立的模型進行仿真[4]，仿真時間為25s得到 （堅固性系數）分別為2、6、4時對應三種工況的斗桿中央部位的應力變化曲線分別如圖2.3-a、2.3-b、2.3-c所示。

2.3 截齒截割不同硬度巖石的應力曲線

以matlab作為計算手段，輸出斗桿中央最大應力處的應力統計結果見表2.2。

仿真結果表明，隨挖掘硬度增加，斗桿中央應力集中處應力均值加大，最大值在226～298MPa之間；由于挖掘過程斗桿受力具有隨機性（如圖2.3），因此應力最小值非單調遞增；挖掘三種等級土壤時，斗桿中央應力集中處的波動大；隨著土壤硬度增加，斗桿的應力上升快，是由于斗桿在工作過程中集中力產生的，這也是斗桿長時間連續工作產生疲勞裂紋的首因；斗桿最大工作應力遠遠小于材料的許用應力（375 MPa）；在工作過程中斗桿的應力響應效果趨于收斂，說明斗桿的各階頻率均沒有與工作頻率共振，說明模態分析正確，斗桿可能的失效形式為疲勞失效。

3.斗桿的結構改進建議以及斷裂預防措施

由模態分析表得知，隨著階數的增加，斗桿的固有頻率隨之增大。容易產生疲勞斷裂的危險區域主要集中在斗桿整體中間、上端鉸接板和右端鉸接板幾個部位，這幾處均為焊縫連接的環節，所以針對該分析結果提出如下預防和改進措施：

（1）工作裝置鉸接耳環處焊縫應均勻以免應力不均。

（2）結構設計應使固有頻率避開外部持續干擾頻率，避免引起共振。

4.結論

（1）經模態分析，得到斗桿中間、上端鉸接板和右端鉸接板幾處是容易發生疲勞斷裂的危險區，耳環連接板焊縫處最易斷裂，并提出焊縫要保持均勻以免工作過程中的應力不均。

（2）斗桿失效形式為疲勞失效，在不同工況下，應力的最大值在226～298MPa之間小于材料許用應力。斗桿隨挖掘土壤硬度的不同應力變化較大，施工中應采用鏟斗挖掘和斗桿挖掘相結合的方式。

參考文獻：

[1]張衛國.液壓挖掘機工作裝置動力學仿真分析及研究[D]. 太原： 太原理工大學機械電子工程系，2010.

[2]鐵巍巍，王曉楓，楊茹萍.挖掘機動臂有限元模態分析[J].機械設計與研究，2011，1（3）：23-25.

[3]周宏兵，王慧科，過新華.基于MATLAB和ANSYS的挖掘機工作裝置結構靜強度分析[J].廣西大學學報：自然科學版，2009，34（6）：774-779.

[4]李成林，韓振南，霍俊杰，等.基于有限元的半掛牽引車車架疲勞壽命分析 [J].工程設計學報，2013（5）：414-418.

作者簡介：

沈文冰（1982年—），男，工程師，現從事機械管理工作。