礦用挖掘式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)疲勞壽命分析

摘 要：為了確定礦用挖掘式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的疲勞壽命，分析并確定了鏟斗隨機(jī)挖掘阻力的計(jì)算方法，利用Matlab模擬鏟斗的隨機(jī)挖掘阻力。采用Pro/E建立該機(jī)工作機(jī)構(gòu)的三維模型，將其映射到Workbench環(huán)境中創(chuàng)建其有限元模型；將模擬的挖掘阻力數(shù)據(jù)導(dǎo)入ncode模塊，分析鏟斗、小臂和大臂的應(yīng)力和疲勞壽命情況。結(jié)果表明：該機(jī)工作機(jī)構(gòu)的應(yīng)變量范圍在0.313×10-2 ～0.028 m之間，應(yīng)力范圍集中在705～3.85×108 Pa；鏟斗與連桿的連接部位壽命最短，約7.58×106次，所得結(jié)論可為礦用挖掘式裝載機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：挖掘式裝載機(jī)；疲勞；有限元；應(yīng)力

中圖分類(lèi)號(hào)：TD421.5+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0037-04

Fatigue Life Analysis of Working Mechanism for Mining Backhoe Loader-bucket

Abstract：In order to figure out the fatigue life of the working mechanism of mining backhoe loader-bucket， the calculation method of the random excavating resistance of bucket was analyzed and determined， and Matlab was applied to simulate the random excavating resistance. With Pro/E， the three-dimensional model of the working mechanism was established， and its finite element model was created by Workbench. The simulated excavating resistance was imported into ncode to analyze the stress and fatigue life of the bucket， jib and boom. The results show that the variable range of the working mechanism is 0.313×10-20.028 m， and the stress range is 7053.85×108 Pa. The minimum service life is located at the connecting parts between the bucket and rod， about 7.58×106times. The research conclusion provides a basis for the parameter design and optimization of the machine.

Keywords：backhoe loader-bucket; fatigue; finite element; stress

0 引言

礦用挖掘式裝載機(jī)是礦山平巷、斜巷掘進(jìn)、碎石土料采集及輸送等重要的機(jī)械設(shè)備，由于礦區(qū)作業(yè)環(huán)境惡劣，鏟斗運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的角度和工作空間不斷變化以及物料賦存條件的不確定性，使得該機(jī)工作機(jī)構(gòu)承受的載荷復(fù)雜多變，導(dǎo)致各部件出現(xiàn)疲勞破壞，從而降低工作效率。為此，分析礦用挖掘式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的疲勞壽命很有必要。

目前，對(duì)于挖掘式裝載機(jī)疲勞壽命的研究主要分為理論計(jì)算，有限元分析、實(shí)驗(yàn)研究等方法。文獻(xiàn)［1］基于工作裝置作業(yè)姿態(tài)、材料屬性和外載荷特性，利用熱點(diǎn)應(yīng)力建立工作裝置疲勞壽命的評(píng)估模型。文獻(xiàn)［2］利用液壓挖掘機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及仿真軟件，獲得該機(jī)關(guān)鍵鉸接點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變情況。文獻(xiàn)［3］采用試驗(yàn)的方法，對(duì)裝載機(jī)的工作裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)［4］借助SolidWorks建立裝載機(jī)鏟斗的有限元模型，分析了鏟斗的應(yīng)力及疲勞壽命。文獻(xiàn)［5］根據(jù)設(shè)計(jì)的疲勞試驗(yàn)臺(tái)，完成裝載機(jī)加速加載疲勞試驗(yàn)，并對(duì)裝載機(jī)的工作裝置進(jìn)行了極小子樣疲勞可靠性分析。文獻(xiàn)［6］基于ANSYS建立裝載機(jī)工作裝置的有限元模型，完成靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

上述方法對(duì)挖掘式裝載機(jī)疲勞可靠性的研究具有重要意義，由于工作空間不斷變化加之挖掘阻力的隨機(jī)性和復(fù)雜性，所以對(duì)于隨機(jī)挖掘阻力作用下的工作機(jī)構(gòu)的疲勞可靠性分析還不多見(jiàn)。為此，本文通過(guò)對(duì)隨機(jī)挖掘阻力的理論計(jì)算，結(jié)合有限元分析方法，分析該挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)的疲勞壽命。

1 鏟斗載荷模型

圖1為工作機(jī)構(gòu)的載荷模型。當(dāng)鏟斗鏟取物料時(shí)，由于挖掘深度的不斷變化和物料賦存條件的不確定性，使得鏟斗挖掘阻力具有隨機(jī)性。隨機(jī)挖掘阻力是鏟斗挖掘過(guò)程中所受的最大阻力，可分解為法向挖掘阻力合力Fn、切向挖掘阻力合力Ft。

Fn、Ft可由布爾分布和瑞利分布描述［7］，有

根據(jù)上述分析，取散體煤巖最大抗壓強(qiáng)度4MPa，摩擦因數(shù)0.8，松散系數(shù)1.1，工作面的長(zhǎng)和寬為3m×1.5m。相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

利用Matlab仿真獲得法向挖掘阻力Fn和切向挖掘阻力Ft隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，如圖2所示。由圖可見(jiàn)，法向和切向挖掘阻力隨時(shí)間無(wú)規(guī)律的變化，具有隨機(jī)性，但法向挖掘阻力整體呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，法向和切向隨機(jī)挖掘阻力的峰值分別為4.96×103kN和2.57×103kN，均值分別為1.82×103kN和0.95×103 kN。

2 工作機(jī)構(gòu)有限元模型

考慮到該機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用Workbench建立其三維模型比較困難，為此借助Pro/E5.0建模軟件的實(shí)體造型技術(shù)，根據(jù)相關(guān)尺寸，完成該機(jī)的鏟斗、小臂、大臂、油缸以及回轉(zhuǎn)臺(tái)等各零件的建模及裝配，得到其工作機(jī)構(gòu)的三維模型如圖3所示。

通過(guò)Pro/E5.0與Workbench之間的無(wú)縫連接功能，將工作機(jī)構(gòu)三維模型映射到Workbench環(huán)境下，設(shè)置模型材料屬性、劃分網(wǎng)格［8］，單元總數(shù)60 719個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)116 750個(gè)。將回轉(zhuǎn)臺(tái)軸孔處設(shè)置為固定約束，取法向和切向挖掘阻力的峰值添加載荷，完成其有限元模型如圖4所示。

3 靜力學(xué)分析

在Workbench環(huán)境下，完成工作機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析。由圖5的應(yīng)變?cè)茍D可知，工作機(jī)構(gòu)的應(yīng)變量范圍在0.313×10-2～ 0.028m之間，鏟斗應(yīng)變量最大，小臂其次，大臂應(yīng)變量最小，由于回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置為固定約束，因此其應(yīng)變量為0。圖6為應(yīng)力分布云圖。由圖可見(jiàn)，應(yīng)力范圍在705～3.85×108Pa，較大應(yīng)力位于斗齒根部、油缸與大、小臂的連接部位以及小臂油缸與連桿的連接部位，后者的應(yīng)力最大。這是由于連桿承擔(dān)小臂油缸推力以及鏟斗的挖掘阻力，使該處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中。

4 工作機(jī)構(gòu)疲勞壽命分析

Ncode在疲勞分析設(shè)計(jì)領(lǐng)域有完備的功能，是目前零件疲勞分析的主流工具［9］。在Workbench環(huán)境下完成裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分析后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ncode疲勞分析模塊，分析其疲勞壽命，流程如圖7所示。

根據(jù)前述挖掘阻力的計(jì)算結(jié)果，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為txt文件，利用ASCII的轉(zhuǎn)換功能將該txt文件轉(zhuǎn)為S3T文件格式加載到ncode模塊。

圖8為礦用裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的疲勞壽命分析云圖。由圖可知，該機(jī)工作機(jī)構(gòu)的疲勞壽命范圍為7.58×106～2.45×1011次，最小壽命位于連桿與鏟斗的連接部位，這與應(yīng)力分析結(jié)果相符。由于該機(jī)完成一次挖掘（挖掘、回轉(zhuǎn)、卸料和返回）的時(shí)間為16s，按照每天8h工作制計(jì)算，連桿與鏟斗的連接部位正常工作下的疲勞壽命為（7.58×106×16）/（60×60×8×365）=11.5年，滿(mǎn)足實(shí)際工況需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)隨機(jī)過(guò)程理論計(jì)算礦用裝載機(jī)隨機(jī)挖掘阻力，以此作為載荷樣本數(shù)據(jù)結(jié)合其有限元模型，分析該機(jī)工作機(jī)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變及疲勞壽命情況，所得結(jié)論如下：

1）工作機(jī)構(gòu)的應(yīng)力范圍為705～3.85×108Pa，疲勞壽命范圍為7.58×106～2.45×1011次；

2）工作機(jī)構(gòu)的最小壽命位置位于連桿與鏟斗的連接部位。

該分析方法縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期、優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)，具有實(shí)際工程意義。

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