基于有限元法的松土器結(jié)構(gòu)分析*

王曉曉，孫 健※，呂福春，祁 祥

（1.徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221018；2.徐州科源液壓股份有限公司，江蘇徐州 221116）

0 引言

液壓挖掘機(jī)作為一種多功能的工程機(jī)械，憑借著其優(yōu)良、可靠的性能被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、經(jīng)濟(jì)設(shè)施建設(shè)以及礦石開采等施工中，它在解放勞動力時(shí)，還能夠改善施工質(zhì)量、加快施工速度以及提高勞動生產(chǎn)率。在一些沖擊振動過多的特殊工作條件下，不適合人工操作，促使挖掘機(jī)向智能化、自動化方向發(fā)展，而對液壓挖掘機(jī)裝置進(jìn)行建模分析是實(shí)現(xiàn)自動化的重要研究基礎(chǔ)[1]。松土器是挖掘機(jī)的重要工作裝置之一，其應(yīng)用范圍廣泛，不僅可以作用于砂礫石和鹽礦等堅(jiān)硬的土層，還可以作用于黏土和硬化凍土等松散的土層，具有破碎和翻松土壤的功能，一般用于開挖有裂紋的巖石、破碎凍土和瀝青路面，便于用鏟斗進(jìn)行挖掘及裝載作業(yè)[2]。松土器工作過程中會受到來自土壤的阻力作用，也存在因所受應(yīng)力過大而發(fā)生的塑性變形和斷裂的問題，因此松土器必須具備足夠的強(qiáng)度剛度和耐磨性[3]。

現(xiàn)有研究多是對挖掘機(jī)鏟斗和推土機(jī)松土器的分析優(yōu)化，卻少有關(guān)于挖掘機(jī)用松土器的相關(guān)研究。本文依據(jù)挖掘機(jī)用松土器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立有限元模型，模擬工作過程中所受載荷，分析松土器應(yīng)力應(yīng)變和位移變化。基于有限元分析法，避免因使用傳統(tǒng)方法而十分繁瑣的計(jì)算過程，提高精確度[4]。通過對松土器的仿真分析，確定其最大受力工況和受力部位，可以避免部分設(shè)計(jì)不足的缺陷，為后來對挖掘機(jī)用松土器的研究提供理論依據(jù)。

1 松土器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 松土器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

松土器是液壓挖掘機(jī)的可換工作裝置之一，具有碎土和翻松的功能，由主板、掛耳板、背板、斗耳板、斗耳套、斗齒、齒座、護(hù)板等零配件組成。一般分為單齒和多齒，具備較好的挖掘切入的功能，松土能力強(qiáng)，挖掘阻力小。三齒松土器的底板底面兩側(cè)與中間分別豎直向下對應(yīng)焊接有主板，主板的底部均安裝有斗齒。底板頂面兩側(cè)分別豎直向上對應(yīng)焊接有耳板。耳板的上部有耳孔，分別與斗桿和鏟斗缸相鉸接，主板前端有通過銷軸連接齒座和齒尖的組合斗齒，當(dāng)液壓缸的活塞桿伸出時(shí)，推動齒尖強(qiáng)制插入并翻動土壤[5]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 松土器結(jié)構(gòu)

1.2 松土器工作原理

工作時(shí)，松土器強(qiáng)行插入堅(jiān)硬的巖石或凍土中，通過工作裝置受力推動土石，兩側(cè)土壤也受到擠壓分開，不斷切割后形成較小的碎塊[6]。大量的生產(chǎn)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在外力的作用下，由于泥土顆粒的自身強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒間的連接強(qiáng)度，土壤中的顆粒會沿著力的接觸部分互相錯(cuò)開，而發(fā)生剪切破壞[7]。因此，在工況下，松土器的往復(fù)運(yùn)動可以看作是力沿直線方向?qū)⑼翆泳徛虚_，土層因剪切破壞而破碎，逐漸變成小土塊。

2 松土器結(jié)構(gòu)有限元分析

有限元的基本理念是通過建立簡單的模型來替換實(shí)際生活中復(fù)雜的模型然后求解，即將整體分解成有限個(gè)的小單元，小單元彼此連接，通過對每一個(gè)小單元假設(shè)一個(gè)近似值，進(jìn)而推導(dǎo)出滿足整體的條件，最終可以得出正確的解[8]。但因?yàn)槭怯煤唵蔚哪Ｐ吞鎿Q復(fù)雜的模型，所以這個(gè)解是近似值。而現(xiàn)實(shí)生活中大多數(shù)問題都難以得到準(zhǔn)確解，采用有限元方法不僅可以得到相對準(zhǔn)確的近似解，更可以適應(yīng)多數(shù)情況。

現(xiàn)在，隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，人們對有限元方法的理解和應(yīng)用也逐漸加深，相關(guān)有限元分析軟件也不斷更新?lián)Q代。就此，有限元方法推行甚廣，在許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有著極高的優(yōu)越性，對于機(jī)械行業(yè)更是及其重要的方法。對于有限元的設(shè)計(jì)運(yùn)用同時(shí)也是將理論與計(jì)算機(jī)實(shí)踐相結(jié)合。

世界上著名的有限元分析軟件公司有很多，包含著名的通用軟件ANSYS，ABAQUS，MSC/NASTRAN 等，其中三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件有Solid Works，UG，Pro/E 等也都有有限元分析模塊，對結(jié)構(gòu)體和裝配體也可以進(jìn)行有限元分析。本論文的有限元研究選用了軟件Creo 6.0。Creo 分別整合了Pro/Engineer 的參數(shù)化技術(shù)、Co Create 的直接建模技術(shù)和Product View 的三維可視化技術(shù)的新型CAD 設(shè)計(jì)軟件包，具有極高的自由性與靈活性[9]。

在Creo中進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，利用Creo中集成的Simulation 結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行確定約束和載荷、生成網(wǎng)格然后進(jìn)行運(yùn)算分析，提高了工作效率。以往在利用Pro/E 建模軟件建好三維模型時(shí)需要先導(dǎo)出再導(dǎo)入ANSYS 分析軟件，現(xiàn)在可以通過Creo 建模軟件建模直接由Creo 中集成的Simulation 模塊進(jìn)行有限元分析，既提高的科研人員的效率，也能減少計(jì)算誤差。

2.1 建立松土器三維模型

先利用Creo軟件建立松土器的各個(gè)零件，再將零件組裝成完整的松土器三維模型。由于一些特征，例如倒角、圓角等，它們的存在不僅會加大計(jì)算機(jī)的工作量，而且因?yàn)閷τ谟邢拊治霰旧碛绊懸膊淮螅梢栽賹σ恍┎恢匾慵M(jìn)行簡化。松土器的三維模型如圖2所示。

圖2 松土器三維模型

2.2 定義材料屬性

在Creo 的Simulation 中定義材料，按照表1 為零件添加材料屬性。該松土器裝配體中斗齒和加強(qiáng)板材料為65 Mn，其彈性模量為211 GPa，泊松比為0.288，質(zhì)量密度為7 820 kg·m-3，屈服強(qiáng)度為430 MPa，其他材料皆為Q345，其屈服應(yīng)力為345 MPa[10]。其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料的各項(xiàng)性能參數(shù)

2.3 定義約束

建立有限元模型需要定義準(zhǔn)確適當(dāng)?shù)募s束，在有限元分析中施加約束及載荷是有限元結(jié)構(gòu)分析的重要步驟，約束及載荷確定的準(zhǔn)確性也是有限元分析的關(guān)鍵。在靜態(tài)分析時(shí)，必須設(shè)置足夠的固定約束來確定模型的位置，松土器的固定約束建立在耳板與斗桿相連接的4 個(gè)螺栓孔處，用來限制松土器的所有自由度。

2.4 定義載荷

液壓挖掘機(jī)的挖掘力主要是通過搖桿、連桿、油缸等所組成的傳動機(jī)構(gòu)決定的，在工作過程中，通常是松土器油缸、斗桿油缸和動臂油缸復(fù)合作用進(jìn)行工作的。

研究選取了挖掘機(jī)松土?xí)r松土器到達(dá)最深處時(shí)的工作狀態(tài)，對此工況下的松土器進(jìn)行載荷分析，為了便于計(jì)算，將模型簡化，忽略土壤對松土器的阻力和工作過程中的摩擦力。在整個(gè)挖掘機(jī)松土過程中，理論上松土器所受外載荷主要包括切向挖掘阻力和法向挖掘阻力。

在松土器的斗齒尖上，受到了切向和法向挖掘阻力，二者分別沿挖掘軌跡的切線與法線方向[11]:

式中：K0為挖掘比阻力，N/cm2，取K0=19.5 N/cm2；b為切削寬度；h為切削深度；Ψ為挖掘阻力系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算:

2.5 劃分網(wǎng)格和建立有限元模型

在準(zhǔn)備進(jìn)行計(jì)算之前，必須先將幾何模型轉(zhuǎn)化成合理的有限元模型。先利用網(wǎng)格劃分工具，將松土器的三維模型進(jìn)行提取和幾何處理，先簡單劃分根據(jù)結(jié)果再對模型各個(gè)部分進(jìn)行劃分，添加材料的屬性、受力載荷等信息，最終形成計(jì)算機(jī)可實(shí)行計(jì)算的有限元模型[12]。Creo軟件使用精細(xì)模型AutoGEM 來生成網(wǎng)格。松土器共創(chuàng)建了9 532個(gè)元素和2 875個(gè)節(jié)點(diǎn)。建立松土器有限元模型如圖3所示。

圖3 松土器有限元模型

2.6 運(yùn)行求解

運(yùn)行時(shí)，Creo將根據(jù)材料、約束、載荷和網(wǎng)格指定的輸入計(jì)算結(jié)果。用右鍵單擊分析和研究按鈕運(yùn)行。模擬完成之后，結(jié)果會被存儲到指定的目錄中。

2.7 輸出結(jié)果和分析

運(yùn)算結(jié)束后即可得到松土器的靜力分析圖解，包括應(yīng)力應(yīng)變位移云圖。

2.7.1 靜力分析

靜力分析是用來分析所需結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷作用下的響應(yīng)，經(jīng)過有限元分析之后，觀察圖4 松土器受力云圖可知松土器產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為259 MPa，具體發(fā)生于齒斗的齒尖附近。同時(shí)還可以觀察到松土器的整體呈現(xiàn)深藍(lán)色，整體應(yīng)力較小，明顯小于許用應(yīng)力。

圖4 松土器受力云圖

最大應(yīng)力值可取σmax=259.377 MPa，65 Mn的屈服強(qiáng)度σs=430 MPa，取安全系數(shù)為1.5，對于松土器安全系數(shù)有：

綜上可知，松土器的安全系數(shù)為1.66，滿足松土器的安全系數(shù)要求。

2.7.2 變形分析

在工況下，松土器的位移云圖如圖5 所示，結(jié)果顯示最大的位移量僅為0.876 36 mm，且發(fā)生在齒桿的下端，越接近上部越小，相對于體積龐大的松土器，位移量很小，故最大變形滿足要求。

圖5 松土器位移云圖

松土器的有限元分析結(jié)果如表2所示。

表2 松土器有限元分析結(jié)果

通過上述分析可知：在正常工作中，松土器會發(fā)生所受應(yīng)力超出許用應(yīng)力的狀況，出現(xiàn)在斗齒的齒尖上，應(yīng)當(dāng)對齒尖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，以滿足最大應(yīng)力不超出許用應(yīng)力的要求。而且主板和加強(qiáng)板的應(yīng)力都較小，說明主板和加強(qiáng)板還都可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，以減小整機(jī)質(zhì)量。

3 結(jié)束語

依據(jù)松土器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，通過Creo軟件建立三維模型，利用Creo 中集成的Simulation 對松土器做有限元分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度校核。通過對松土器結(jié)構(gòu)受力的理論分析，建立松土器有限元模型并進(jìn)行分析計(jì)算，基于有限元分析方法不僅使得計(jì)算更加便捷，還能夠規(guī)避過于繁瑣的計(jì)算帶來的誤差。得出其在作業(yè)時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變的分布圖，獲得了應(yīng)力、應(yīng)變和最小安全系數(shù)等參數(shù)，可以很好地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。結(jié)果表明，松土器在斗齒的齒尖部位所受應(yīng)力大于許用應(yīng)力，長時(shí)間會引起塑性變形乃至出現(xiàn)裂紋。可以通過加強(qiáng)鋼板的厚度和齒尖形狀讓應(yīng)力集中在強(qiáng)度更高的部分。同時(shí)，也可以通過對主板和加強(qiáng)板進(jìn)行改進(jìn)來減小松土器的質(zhì)量。