挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力及有限元聯(lián)合仿真分析

何　君，桂　瑩

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550008)

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挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力及有限元聯(lián)合仿真分析

何君，桂瑩

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550008)

摘要：通過(guò)PROE軟件對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行三維模型的建立，在多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中對(duì)工作裝置虛擬樣機(jī)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出了挖掘機(jī)工作裝置在復(fù)挖掘工況下各鉸點(diǎn)的受力情況。取各鉸點(diǎn)最大受力姿態(tài)及大小為工作裝置進(jìn)行有限元分析,為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)仿真有限元分析

0引言

液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)是一項(xiàng)反復(fù)且復(fù)雜的過(guò)程，各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足工況要求直接影響挖掘機(jī)的質(zhì)量。本文通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS及有限元分析軟件ANSYS對(duì)某型號(hào)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行聯(lián)合仿真，大大提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率。

1液壓挖掘機(jī)工作裝置模型

液壓挖掘機(jī)工作裝置由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、連桿機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸幾部分組成[1]，如圖1所示。為便于分析，對(duì)工作裝置各鉸點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，如圖2所示。

圖1　工作裝置三維模型　　　圖2　工作裝置鉸點(diǎn)分布

2挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)分析

2.1復(fù)合挖掘工況下挖掘阻力的確定

在對(duì)挖掘阻力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常將其近似認(rèn)為作用于鏟斗的斗齒尖上[2]。并將挖掘阻力在切線及法線方向上進(jìn)行分解。將阻力分解為挖掘軌跡切線方向上的切向挖掘阻力Wt及垂直于挖掘軌跡的法向挖掘阻力Wn。其經(jīng)驗(yàn)公式如下所示[3]：

切向阻力：Wt=k0bh

法向阻力：Wn=φWt

式中：k0—挖掘比阻力；

b—切削寬度，即鏟斗斗寬；

h—挖掘深度，通常h=(0.1～0.33)b；

φ—挖掘阻力系數(shù)。

本文研究挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象通常為普通粘土、堅(jiān)實(shí)的亞粘土等Ⅲ級(jí)土壤。所以通過(guò)查表可得k0=1.55×105N/m2，本文鏟斗斗寬b=0.906m。取挖掘深度h為0.33b，即h=0.3m，挖掘阻力系數(shù)φ取值為0.42。代入上式可得：

Wt=1.55×105×0.906×0.3=41 986N

Wn=0.42×41 986=17 634N

本文挖掘機(jī)的鏟斗裝滿Ⅲ級(jí)土壤時(shí)的重力為：14 200 N。

2.2挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)仿真

在對(duì)挖掘阻力及物料重力計(jì)算好之后,我們便可以在Adams軟件中對(duì)各種阻力在工作裝置虛擬樣機(jī)上進(jìn)行施加，并對(duì)挖掘過(guò)程進(jìn)行模擬[4-5]。在Adams/Solver求解結(jié)束后，便可以得到挖掘機(jī)工作裝置各鉸點(diǎn)的受力曲線圖[6-7]。其中作為主要受力構(gòu)件的斗桿、上動(dòng)臂各鉸點(diǎn)受力變化曲線圖3、圖4所示。

圖3　斗桿各鉸點(diǎn)受力情況

圖4　上動(dòng)臂各鉸點(diǎn)受力情況

對(duì)Adams中獲得的各鉸點(diǎn)所受最大力進(jìn)行X-Y坐標(biāo)方向分解，各鉸點(diǎn)力大小如表1、2所示。

表1　斗桿各鉸點(diǎn)力在X-Y方向分解值(單位：N)

表2　上動(dòng)臂各鉸點(diǎn)力在X-Y分解值(單位：N)

3挖掘機(jī)工作裝置有限元分析

圖6　上動(dòng)臂受力云圖

工作裝置通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真獲得各鉸點(diǎn)最大受力大小后，便可對(duì)結(jié)構(gòu)在有限元分析軟件下進(jìn)行受力加載及求解[8]，圖5、圖6為ANSYS分析軟件下斗桿與上動(dòng)臂在最大受力狀況下的應(yīng)力云圖。

通過(guò)以上有限元分析，我們可以看出斗桿所受的應(yīng)力值較小，處于一個(gè)大的安全系數(shù)范圍內(nèi)，上動(dòng)臂上與斗桿油缸相連接的耳板，在與蓋板進(jìn)行連接時(shí)出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在此提出如下建議：在耳邊與蓋板進(jìn)行連接的過(guò)程當(dāng)中，采用鏟刀口收尾的形式，并用砂輪對(duì)連接過(guò)渡處進(jìn)行打磨圓滑，來(lái)減小應(yīng)力的集中。

4總結(jié)

本文通過(guò)虛擬樣機(jī)的形式對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)及有限元聯(lián)合仿真分析，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析得出了工作裝置在復(fù)合動(dòng)作狀態(tài)下各鉸點(diǎn)的受力情況，并取最大受力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，得出各構(gòu)件的應(yīng)力云圖，為機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了依據(jù)，極大的提高了設(shè)計(jì)效率。

參考文獻(xiàn)

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[8]張朝暉,李樹(shù)奎.ANSYS 11.0有限元分析理論與工程應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出社,2008.

中圖分類號(hào)：TU621

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)03-0008-03

作者簡(jiǎn)介：何君(1986-),江西省宜春市人,貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)。

收稿日期：2016-03-22

Dynamics and finite element simulation analysis of the working device of the excavator

HE Jun, GUI Ying

Abstract:The 3D model of the working device of the excavator was created with CAD software PROE, then dynamic simulation was carried out on a virtual model of the working device by dynamics software Adams, and the force exerted on every point of the working device in operation was obtained. Then finite element analysis was carried out based on the maximum force position of the working device to provide basis for the optimization of the design of excavators.

Keywords:hydraulic excavator; working device; dynamic simulation; finite element analysis