何　君，桂　瑩

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽550008)

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挖掘機工作裝置動力及有限元聯(lián)合仿真分析

何君，桂瑩

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽550008)

摘要：通過PROE軟件對挖掘機工作裝置進行三維模型的建立，在多體動力學(xué)軟件ADAMS中對工作裝置虛擬樣機進行了動力學(xué)仿真分析，得出了挖掘機工作裝置在復(fù)挖掘工況下各鉸點的受力情況。取各鉸點最大受力姿態(tài)及大小為工作裝置進行有限元分析,為設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機工作裝置動力學(xué)仿真有限元分析

0引言

液壓挖掘機工作裝置設(shè)計是一項反復(fù)且復(fù)雜的過程，各結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足工況要求直接影響挖掘機的質(zhì)量。本文通過動力學(xué)仿真軟件ADAMS及有限元分析軟件ANSYS對某型號挖掘機工作裝置進行聯(lián)合仿真，大大提高了設(shè)計人員的工作效率。

1液壓挖掘機工作裝置模型

液壓挖掘機工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗、連桿機構(gòu)、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸幾部分組成[1]，如圖1所示。為便于分析，對工作裝置各鉸點進行編號，如圖2所示。

圖1　工作裝置三維模型　　　圖2　工作裝置鉸點分布

2挖掘機工作裝置動力學(xué)分析

2.1復(fù)合挖掘工況下挖掘阻力的確定

在對挖掘阻力進行計算時，通常將其近似認為作用于鏟斗的斗齒尖上[2]。并將挖掘阻力在切線及法線方向上進行分解。將阻力分解為挖掘軌跡切線方向上的切向挖掘阻力Wt及垂直于挖掘軌跡的法向挖掘阻力Wn。其經(jīng)驗公式如下所示[3]：

切向阻力：Wt=k0bh

法向阻力：Wn=φWt

式中：k0—挖掘比阻力；

b—切削寬度，即鏟斗斗寬；

h—挖掘深度，通常h=(0.1～0.33)b；

φ—挖掘阻力系數(shù)。

本文研究挖掘機的作業(yè)對象通常為普通粘土、堅實的亞粘土等Ⅲ級土壤。所以通過查表可得k0=1.55×105N/m2，本文鏟斗斗寬b=0.906m。取挖掘深度h為0.33b，即h=0.3m，挖掘阻力系數(shù)φ取值為0.42。代入上式可得：

Wt=1.55×105×0.906×0.3=41 986N

Wn=0.42×41 986=17 634N

本文挖掘機的鏟斗裝滿Ⅲ級土壤時的重力為：14 200 N。

2.2挖掘機工作裝置動力學(xué)仿真

在對挖掘阻力及物料重力計算好之后,我們便可以在Adams軟件中對各種阻力在工作裝置虛擬樣機上進行施加，并對挖掘過程進行模擬[4-5]。在Adams/Solver求解結(jié)束后，便可以得到挖掘機工作裝置各鉸點的受力曲線圖[6-7]。其中作為主要受力構(gòu)件的斗桿、上動臂各鉸點受力變化曲線圖3、圖4所示。

圖3　斗桿各鉸點受力情況

圖4　上動臂各鉸點受力情況

對Adams中獲得的各鉸點所受最大力進行X-Y坐標方向分解，各鉸點力大小如表1、2所示。

表1　斗桿各鉸點力在X-Y方向分解值(單位：N)

表2　上動臂各鉸點力在X-Y分解值(單位：N)

3挖掘機工作裝置有限元分析

圖6　上動臂受力云圖

工作裝置通過動力學(xué)仿真獲得各鉸點最大受力大小后，便可對結(jié)構(gòu)在有限元分析軟件下進行受力加載及求解[8]，圖5、圖6為ANSYS分析軟件下斗桿與上動臂在最大受力狀況下的應(yīng)力云圖。

通過以上有限元分析，我們可以看出斗桿所受的應(yīng)力值較小，處于一個大的安全系數(shù)范圍內(nèi)，上動臂上與斗桿油缸相連接的耳板，在與蓋板進行連接時出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在此提出如下建議：在耳邊與蓋板進行連接的過程當(dāng)中，采用鏟刀口收尾的形式，并用砂輪對連接過渡處進行打磨圓滑，來減小應(yīng)力的集中。

4總結(jié)

本文通過虛擬樣機的形式對挖掘機工作裝置進行了動力學(xué)及有限元聯(lián)合仿真分析，通過動力學(xué)分析得出了工作裝置在復(fù)合動作狀態(tài)下各鉸點的受力情況，并取最大受力狀態(tài)進行有限元分析，得出各構(gòu)件的應(yīng)力云圖，為機構(gòu)的進一步優(yōu)化提供了依據(jù)，極大的提高了設(shè)計效率。

參考文獻

[1]同濟大學(xué).單斗液壓挖掘機[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986.

[2]康海洋.液壓挖掘機動臂結(jié)構(gòu)動態(tài)分析[D].湖南：長沙理工大學(xué)，2007.

[3]張林艷，鄧子龍，張紅亮，等.挖掘機工作裝置虛擬樣機的建立與動力學(xué)仿真[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報,2008,28(3):46-49.

[4]王桂新，楊彥龍.基于ADAMS的液壓挖掘機工作裝置的仿真分析[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008,37(3)：59-63.

[5]牛多青.液壓挖掘機工作裝置虛擬樣機設(shè)計及其有限元分析[D].安徽：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[6]李軍，邢俊文，覃文杰 .MSC ADAMS實例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[7]鄭建榮.MSC ADAMS虛擬樣機入門與提高[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[8]張朝暉,李樹奎.ANSYS 11.0有限元分析理論與工程應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出社,2008.

中圖分類號：TU621

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0008-03

作者簡介：何君(1986-),江西省宜春市人,貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，機械制造及其自動化專業(yè)。

收稿日期：2016-03-22

Dynamics and finite element simulation analysis of the working device of the excavator

HE Jun, GUI Ying

Abstract:The 3D model of the working device of the excavator was created with CAD software PROE, then dynamic simulation was carried out on a virtual model of the working device by dynamics software Adams, and the force exerted on every point of the working device in operation was obtained. Then finite element analysis was carried out based on the maximum force position of the working device to provide basis for the optimization of the design of excavators.

Keywords:hydraulic excavator; working device; dynamic simulation; finite element analysis