基于ABAQUS的滑軌板有限元分析

李和勤，王統(tǒng)順

（1.徐州和潤(rùn)起重設(shè)備技術(shù)有限公司，江蘇 徐州 221131；2.上海世邦工業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司，上海 200120）

滑軌板是鑿巖機(jī)械手裝置中重要的受力元件之一，其受力情況直接影響鑿巖機(jī)械手的整體承受載荷和受力變形變形情況，從而影響機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。由于滑軌板的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通過傳統(tǒng)的受力分析和解析計(jì)算無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其受力變形情況，因此，文章基于ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析，研究其受力后的應(yīng)力、應(yīng)變情況，分析其結(jié)果并提出改進(jìn)措施。

1 滑軌板的結(jié)構(gòu)分析

1.1 多功能鑿巖機(jī)械手的構(gòu)成

多功能鑿巖機(jī)械手主要包括主升降系統(tǒng)、副升降系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、伸縮臂和擺動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 多功能鑿巖機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)

主升降系統(tǒng)沿左右方向水平安裝在牽引機(jī)的車體底盤的后端，主升降系統(tǒng)的兩端設(shè)有豎直設(shè)置的伸縮支撐腿，其中伸縮支撐腿液壓缸是雙向伸縮液壓缸。副升降系統(tǒng)豎直方向安裝在主升降系統(tǒng)的中部位置。主升降系統(tǒng)通過前后方向設(shè)置的主升降系統(tǒng)推移液壓缸與牽引機(jī)的車體底盤的后端安裝連接、且主升降系統(tǒng)與牽引機(jī)的車體底盤之間設(shè)置有導(dǎo)向滑軌。

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝在副升降系統(tǒng)上，包括回轉(zhuǎn)支撐和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。回轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過豎直方向設(shè)置的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)升降液壓缸與副升降系統(tǒng)安裝連接、且回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與副升降系統(tǒng)之間設(shè)置有導(dǎo)向滑軌。

伸縮臂包括基礎(chǔ)臂和一節(jié)伸縮節(jié)臂，基礎(chǔ)臂固定安裝在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)支撐上、且伸縮臂的伸縮方向沿回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)支撐的徑向方向設(shè)置，伸縮節(jié)臂套接安裝在基礎(chǔ)臂內(nèi)部、且伸縮節(jié)臂通過伸縮臂伸縮液壓缸與基礎(chǔ)臂連接。擺動(dòng)系統(tǒng)包括開槽工具回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、L型連接件和開槽工具。開槽工具回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)固定安裝在L型連接件上并通過L型連接件與伸縮節(jié)臂的端部安裝連接、且開槽工具回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)軸線前后方向設(shè)置；開槽工具包括鋸盤，鋸盤通過快速連接機(jī)構(gòu)與開槽工具回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)輸出軸連接。

擺動(dòng)系統(tǒng)還包括第一回轉(zhuǎn)裝置，L型連接件通過第一回轉(zhuǎn)裝置與伸縮臂的端部安裝連接，第一回轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn)軸線豎直方向設(shè)置，第一回轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn)輸出軸與L型連接件固定連接，第一回轉(zhuǎn)裝置的本體與伸縮臂的端部安裝連接；開槽工具還包括鉆頭，鉆頭尾部設(shè)有快速連接機(jī)構(gòu)。擺動(dòng)系統(tǒng)還包括第二回轉(zhuǎn)裝置，第二回轉(zhuǎn)裝置通過第二回轉(zhuǎn)裝置與伸縮臂的端部安裝連接，第二回轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn)軸線前后方向設(shè)置，第二回轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn)輸出軸與第一回轉(zhuǎn)裝置的本體固定連接，第二回轉(zhuǎn)裝置的本體與伸縮臂的端部安裝連接。L型連接件上還設(shè)有液壓鉗。

2 基于ABAQUS的滑軌板有限元分析

對(duì)三維模型進(jìn)行提取，為便于有限元分析計(jì)算，在保證求解結(jié)果準(zhǔn)確、合理的前提下，對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉其不必要的倒角和圓角→定義單元類型，考慮到鑿巖機(jī)械手各零部件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用8節(jié)點(diǎn)的四面體Brick8 node45單元類型→定義材料屬性，包括彈性模量、泊松比和密度等→劃分網(wǎng)格，主要考慮零部件的結(jié)構(gòu)及計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力→選擇合適的部位施加約束條件→施加載荷。根據(jù) 應(yīng)力集中最大、最易損壞的部位所處位置，施加合適載荷對(duì)位移、應(yīng)力、應(yīng)變等進(jìn)行求解計(jì)算→查看求解結(jié)果→修改參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和尺寸。

2.1 滑軌板的有限元模型

滑軌板材料采用Q235號(hào)鋼，該材料的彈性模量，泊松比。在有限元分析前需要對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，忽略其它結(jié)構(gòu)。

2.2 定義邊界條件與施加載荷

滑軌板其定位是用平面定位，在編輯邊界條件時(shí)，文章采用ENCASTRE，約束了其所有的自由度。滑軌板的鉸接部分主要承受夾具豎直方向下的力，由上述受力分析可知，滑軌板的正反承受載荷為1 MPa，鉸鏈承受載荷為5 MPa。

2.3 模型的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是決定分析精度的重要環(huán)節(jié)。對(duì)滑軌板結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分影響著分析的結(jié)果。由于該滑軌板的模型較為復(fù)雜，為避免使用分割操作而導(dǎo)致的工作量增加和人工操作可能引起的誤差，文章采用二次四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的大小影響著分析的精度，對(duì)其種子大小采用40。

2.4 靜力學(xué)分析結(jié)果

經(jīng)過ABAQUS的靜力分析，滑軌板的應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D、位移云圖分別如圖2、3和4所示。

圖2 滑軌板的應(yīng)力云圖

圖3 滑軌板的應(yīng)變?cè)茍D

圖4 滑軌板的位移云圖

由應(yīng)力云圖可知，滑軌板承受的最大應(yīng)力為50.75 MPa。由應(yīng)變?cè)茍D可知，滑軌板的最大應(yīng)變?cè)阢q接部分，其值為2.487×10-4。由位移云圖可知，其最大位移量是在液壓缸鉸接處，為0.1327mm。

2.5 改進(jìn)方案

由靜力學(xué)分析結(jié)果可知，液壓缸鉸接處為滑軌板承受的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和最大位移量的部位，為提高滑軌板的安全性及可靠度，對(duì)滑軌板進(jìn)行以下改進(jìn)：

（1）在兩個(gè)液壓缸鉸接處各增加一塊上筋板和一塊下筋板，其外形如圖 5的（a）和（b）所示，焊接位置如圖（c）所示。

（2）在兩個(gè)液壓缸鉸接處對(duì)應(yīng)的滑軌板的背面各焊接一個(gè)加強(qiáng)架，加強(qiáng)架形狀如圖（d）所示，焊接方案如圖（e）所示。

圖5 筋板形狀

3 結(jié)語

（1）通過對(duì)滑軌板的有限元分析，滑軌板承受的最大應(yīng)力為50.75MPa遠(yuǎn)小于材料自身的許用應(yīng)力，所以設(shè)計(jì)的滑軌板的強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)。

（2）滑軌板的最大應(yīng)變?cè)阢q接部分，其值為，滑軌板的變形量在允許范圍之內(nèi)。

（3）滑軌板的最大位移量是在液壓缸鉸接處，為0.1327 mm，顯然在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)整體的安全可靠性。

（4）液壓缸鉸接處為滑軌板承受的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和最大位移量的部位，為提高滑軌板的安全性及可靠度，在在兩個(gè)液壓缸鉸接處各增加一塊上筋板和一塊下筋板，在兩個(gè)液壓缸鉸接處對(duì)應(yīng)的滑軌板的背面各焊接一個(gè)加強(qiáng)架。