井下鏟運機(jī)動臂有限元分析

史蕾蕾

【摘 要】利用Pro/E軟件建立井下鏟運機(jī)動臂的三維模型， 以ANSYS Workbench為基本工具，實現(xiàn)了井下鏟運機(jī)動臂的有限元分析。通過有限元計算，得到動臂在插入工況、舉升工況、卸載工況下的應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明材料特性滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。證明采用的有限元分析方法可行，可將該法應(yīng)用于實際的井下鏟運機(jī)動臂設(shè)計中。

【關(guān)鍵詞】井下鏟運機(jī)；動臂；ANSYS Workbench；有限元分析

【Abstract】Using Pro/E software to build 3 D model of the swing of underground LHD，then the swing through the finite element analysis with ANSYS Workbench as the basic tools.The stress distribution conditions of swing under the insert condition，lifting and unloading conditions is obtained by finite element calculation.The result shows that the strength of the material properties meet the design requirements.It proves that the finite element analysis method is available so the method can be applied to the actual swing design.

【Key words】Underground LHD；Swing；ANSYS Workbench；Finite element analysis

0 引言

動臂是井下鏟運機(jī)的關(guān)鍵部件，在裝載、運輸和卸載等各個過程中，都承受主要載荷。因此保證鏟運機(jī)有足夠的可靠性和壽命，動臂必須要有足夠的剛度和強(qiáng)度，使動臂的重要部位在使用期內(nèi)不可出現(xiàn)嚴(yán)重的變形、裂紋[1]。

近年來，有限元法在汽車碰撞、應(yīng)力分析、疲勞分析等方面的應(yīng)用越來越廣泛，而且精度很高，大大縮短了汽車的研發(fā)周期。本文利用ANSYS Workbench用有限元法對井下鏟運機(jī)的動臂進(jìn)行應(yīng)力分析，得到動臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移，為井下鏟運機(jī)動臂設(shè)計提供了理論依據(jù)，具有較高的的理論意義與應(yīng)用價值[2]。

1 車架有限元模型

在Pro/E中建立動臂的三維模型，為了便于分析，在不影響計算結(jié)果的前提下，對結(jié)構(gòu)中較小的圓角、倒角、小孔等作了忽略處理[3]，并且將各部件之間的焊接定義為等強(qiáng)度焊接。然后將三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。

在ANSYS Workbench中，對動臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在劃分的過程中要保證每一個殼單元的頂點也是其相鄰單元的頂點[5]，劃分網(wǎng)格后生成17541個單元，37760 個節(jié)點。劃分網(wǎng)格后的WJ井下鏟運機(jī)動臂如圖1所示，材料性能參數(shù)如表1所示。

2 動臂有限元分析

鏟運車動臂所承受的載荷比較簡單，將動臂簡化為剛體結(jié)構(gòu)，忽略重力作用，主要液壓油缸所傳遞的力以及支撐鏟斗所需要的力。

2.1 插入工況

施加載荷和邊界約束后，經(jīng)理分析可知，動臂與舉升液壓缸連接的銷座處以及左右側(cè)板的彎曲部分應(yīng)力較大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在右銷座處，為38.6MPa，安全系數(shù)取為2，則材料的應(yīng)力極限為77.2MPa，遠(yuǎn)小于材料的的屈服強(qiáng)度為345MPa，所以在插入工況下滿足強(qiáng)度要求。

2.2 運輸工況

地下鏟運車的運輸工況即是當(dāng)?shù)叵络P運機(jī)的鏟斗裝滿鐵礦石后，動臂在舉升液壓缸的作用下抬起，將鏟斗舉至運輸位置即當(dāng)鏟斗斗底離地的高度不小于鏟運機(jī)所允許的最小離地間隙。

施加載荷和邊界約束后，靜力分析得到，在左右側(cè)板的中間部分、動臂的固定塊與動臂殼體的接觸處應(yīng)力比較大。最大應(yīng)力在動臂固定塊處，最大應(yīng)力為156.6MPa，取安全系數(shù)為2，則材料的極限應(yīng)力為313.2MPa，小于動臂材料Q345的屈服強(qiáng)度極限是345MPa，滿足強(qiáng)度要求。另外，運輸工況一般處于地下鏟運機(jī)的工作過程中，考慮到路況的不同，動臂的受力情況可能會更加復(fù)雜，所以屬于危險工況。

2.3 卸載工況

地下鏟運機(jī)的卸載工況，此時液壓油缸舉升動臂使鏟斗至卸載位置，翻轉(zhuǎn)鏟斗，當(dāng)鏟斗中的鐵礦石卸完后就會放下動臂，在動臂的作用下使鏟斗恢復(fù)運輸位置。此時，液壓舉升油缸全伸，鏟斗處于垂直工作地面向下的位置。

施加載荷和邊界約束后，靜力分析可知，動臂的頂板前端，兩側(cè)板的彎曲處以及動臂的頂板中部位置應(yīng)力較大。其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近右銷座的右加強(qiáng)板處，最大應(yīng)力為157.4MPa，取安全系數(shù)為2，則材料的屈服極限為314.8MPa。已經(jīng)接近材料的屈服強(qiáng)度345MPa，因此符合強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

（1）建立地下鏟運機(jī)動臂的有限元模型，對插入工況、運輸工況、卸載工況進(jìn)行了動臂的有限元分析。

（2）在插入工況情況下，動臂所受到的應(yīng)力沒有達(dá)到材料的屈服極限，屬于安全工況；運輸工況和下載工況下動臂應(yīng)力的最大值已經(jīng)很逼近材料的屈服極限，屬危險工況。驗證了其有限元分析的可靠性，為動臂的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蔣美華，蘇俊剛，陳欣，周少良.液壓挖掘機(jī)斗桿有限元靜力分析[J].工程機(jī)械，2012，43（5）.

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[3]蒲廣義.ANSYS Workbench基礎(chǔ)教程與實例講解（第二版）[M].中國水利出版社，2013，1.

[4]陸爽，孫明禮，丁金福.ANSYS Workbench13.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012，6.

[責(zé)任編輯：湯靜]