不同外載荷作用下輪式裝載機工作裝置有限元分析

陳樂樂，萬一品，董劍南，宋緒丁

不同外載荷作用下輪式裝載機工作裝置有限元分析

陳樂樂，萬一品，董劍南，宋緒丁

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

為研究不同外載荷作用下ZL50輪式裝載機工作裝置結構強度，采用實體單元對工作裝置進行網格劃分，用桿單元代替動臂和搖臂油缸，建立工作裝置有限元模型。選擇理論計算外載荷和實測鏟裝作業段最大載荷為有限元分析的載荷約束，該型號裝載機工作裝置結構大應力的分布區域在理論計算和實測載荷下基本一致。分析結果為裝載機工作裝置輕量化設計提供了參考依據。

裝載機；工作裝置；實測載荷；應力分析

輪式裝載機是一種土方機械，廣泛應用于礦山、碼頭及公路施工領域。工作裝置在鏟裝作業時直接承受外部載荷的作用。目前的工作裝置有限元分析多基于理論計算外力，所得結構應力偏大[1]。文中以市場保有量最大的ZL50裝載機工作裝置為有限元分析對象，對比分析理論計算外載荷和實測外載荷作用下結構應力分布與大小，為工作裝置結構優化提供參考依據。

1 ZL50裝載機工作裝置結構

ZL50裝載機鏟斗容量3 m3，額定鏟裝作業重量為5 t，鏟斗為直線型帶齒鏟斗，斗寬為2 900 mm，鏟斗高度為1 092 mm.ZL50裝載機工作裝置由鏟斗、動臂、搖臂、連桿、搖臂油缸和動臂油缸組成，各結構件之間通過銷軸連接。工作過程中，動臂油缸控制工作裝置的上下移動，搖臂油缸控制鏟斗的翻轉，在動臂油缸和搖臂油缸的聯合作用下實現散狀物料的鏟裝作業。在不考慮工作裝置零部件中倒角、油孔等細微結構對計算結果影響的前提下，將結構件中焊接部位視為剛性連接[2]。在Pro/e中建立工作裝置三維模型并導入有限元分析軟件中，采用實體單元模擬鏟斗、動臂、搖臂和連桿結構，采用桿單元模擬動臂油缸和搖臂油缸，建立工作裝置有限元模型。

2 工作裝置理論外載荷計算

輪式裝載機在鏟裝作業時受到的外載荷最大，插入物料時受水平阻力，掘起物料時受垂向阻力，理論上將兩種阻力都簡化至鏟斗中心斗齒處[3]。

水平插入阻力理論極限值F1如式（1）所示。

式中，K1為物料松散度系數，小型塊狀物料取0.75；K2為物料種類系數，巖石料取0.14；K3為物料高度系數，料堆高度為1 400 mm時取1.15；K4為鏟斗形狀系數，由經驗值取1.3；B為鏟斗寬度，大小2 900 mm；L1c.25為鏟斗插入料堆的最大深度，ZL50裝載機為95 mm；上述參數從文獻[3]中選取。

垂向掘起阻力F2在動臂提升物料初時達到最大值，其理論極限值由式（2）計算得到。

式中，K為提升動臂的瞬間物料產生的剪切應力。

水平和垂向阻力計算公式中的參數通過查表獲取，由式（1）和式（2）可以計算得到水平阻力和垂向阻力最大值分別133 kN和179 kN.鏟裝作業時，工作裝置受到的水平阻力隨插入物料深度逐漸增大，在掘起物料時刻水平阻力減小，掘起物料的垂向阻力達到最大值。前期實測的斗尖載荷水平阻力[4]最大值均值約為110 kN，垂向阻力載荷最大值均值約為158 kN.

3 理論與實測載荷下有限元分析

工作裝置有限元模型中施加16Mn的材料屬性，對車架做全位移約束，鏟掘姿態下在鏟斗中心斗齒處分別施加理論計算和試驗實測的水平載荷和垂向載荷，位移約束和載荷施加方式如圖1所示。

圖1 ZL50裝載機工作裝置約束施加示意圖

施加位移和載荷約束后，進行有限元計算得到水平載荷和垂向載荷單獨作用下ZL50裝載機工作裝置結構應力分布分別如圖2和圖3所示。

圖2 水平載荷作用下工作裝置應力云圖

圖3 垂向載荷作用下工作裝置應力云圖

由圖2和圖3可知，載荷值增大時結構應力隨之增大，但是水平載荷增大時，動臂靠近車架一段的應力明顯增大，而垂向載荷增大時，動臂靠近車架一段的應力沒有明顯變化，這表明，垂向載荷主要影響動臂靠近鏟斗一段的結構應力。工作裝置的材料為16 Mn，屈服極限345 MPa，取安全系數為1.25，則其許用應力為276 MPa.有限元計算結果表明，該型號裝載機工作裝置在不考慮集中載荷在加載點處產生的應力集中效應，結構應力均在材料的許用應力范圍下。按照極限載荷求得結構應力仍有富余，因此可以對該型號輪式裝載機工作裝置進行結構優化設計。

4 結束語

通過本文分析，得到如下主要結論：

（1）采用實體單元和桿單元建立輪式裝載機工作裝置有限元模型，選擇理論計算外載荷和實測鏟裝作業段最大載荷為有限元分析的載荷約束。

（2）分析了工作裝置結構應力分布規律，理論極限載荷和實測最大載荷下動臂結構最大應力均小于許用應力。動臂靠近鏟斗段的結構應力隨水平載荷和垂向載荷的變化而變化，而動臂靠近車架段的結構應力只受水平載荷的影響。所得有限元分析結果為該型號裝載機工作裝置結構輕量化設計提供了參考依據。

[1]彭丹.裝載機工作裝置動力學仿真與有限元分析[D].西安：長安大學，2015：10-18.

[2]萬一品，賈潔，梁佳，等.裝載機工作裝置結構強度分析與試驗研究[J].機械強度，2016，38（4）：772-776.

[3]楊占敏，王智明，張春秋，等.輪式裝載機[M].北京：化學工業出版社，2006：67-71.

[4]萬一品，宋緒丁，郁錄平，等.裝載機工作裝置斗尖載荷當量模型與試驗[J].長安大學學報（自然科學版），2017，37（3）：119-126.

Finite Element Analysis of Working Device of Wheel Loader Based on Different Loads

CHEN Le-le，WAN Yi-pin，DONG Jian-nan，SONG Xu-ding
（School of Construction Machinery，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China）

In order to studying the structural strength of the working device of ZL50 wheel loader under different loads.The finite element model of the wheel loader is established by using the solid element to mesh the working device structure and using link element instead of the moving arm and the rocker arm cylinder shell element.The finite element model of load constraints selection theory of the external load and the actual load which is the maximum load for finite element analysis.The regional distribution of this type of loading structure for working device of high stress are basically the same under the theoretical calculations and experimental loads.The results provide a reference for the lightweight design of working device of wheel loader.

loader；working device；measured load；stress analysis

TH243.1

A

1672-545X（2017）07-0159-02

2017-04-27

國家科技支撐計劃（2015BAF07B02）

陳樂樂（1992-），女，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為機械結構應力仿真分析。