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        推土機(jī)松土器結(jié)構(gòu)改進(jìn)與有限元分析*

        2018-06-04 12:02:24李華強(qiáng)崔昭霞
        機(jī)械工程與自動化 2018年3期
        關(guān)鍵詞:有限元分析

        李華強(qiáng),崔昭霞,李 鵬

        (內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

        0 引言

        松土器是推土機(jī)松土作業(yè)的重要裝置,在松土、破土作業(yè)過程中,車身通過油缸的作用力使松土齒強(qiáng)行插入堅硬的巖石,達(dá)到松土的目的。隨著松土器的廣泛使用,其結(jié)構(gòu)也得到不斷的改進(jìn)更新,其目的就是有效地提高推土機(jī)松土器的整體性能,使產(chǎn)品功率向著最大和最小兩個極端方向發(fā)展。本文通過先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計手段研發(fā)松土器新產(chǎn)品,在推土機(jī)上增加更智能化的操作裝置,以降低操作員的勞動強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)松土器工作性能的優(yōu)化。

        1 原松土器分析

        D11T推土機(jī)松土器為可調(diào)平行四邊形結(jié)構(gòu),與推土機(jī)后橋殼體相連,它主要由支撐架、橫梁、松土齒、兩個傾斜缸及兩個提升缸組成,采用銷連接。松土器通過傾斜缸改變松土角度,通過提升缸來調(diào)節(jié)松土深度。

        圖1 原松土器

        目前推土機(jī)松土器普遍存在以下問題:

        (1) 松土齒調(diào)整安裝不方便。 現(xiàn)有松土齒的安裝是依靠一個輔助液壓缸推動壓桿,壓桿的另一端連接一個銷子,在松土器橫梁上開有銷孔,松土齒上按間距開有對應(yīng)銷孔,安裝松土齒時,需要將橫梁與松土齒對應(yīng)孔對準(zhǔn)才能將銷子裝進(jìn)去,由于構(gòu)件自重較大,安裝不方便。

        (2) 松土齒伸出量不能任意調(diào)節(jié)。原松土齒伸出量只能通過松土齒上的已有孔距調(diào)整,而在松土齒工作過程中,有時需要升高松土器對高處物體進(jìn)行破碎和挖掘,因此就需要縮短松土齒的伸出量;有時需要對地面以下區(qū)域進(jìn)行作業(yè),因此要求松土器有一定的下降深度,松土齒伸出越長破碎深度就越大;有時需要在松土過程中調(diào)節(jié)挖掘深度,因此要求松土器能實(shí)時改變松土齒伸出量。

        總之,原有松土器松土齒伸出量的調(diào)整給施工人員帶來很大不便,只有對松土器進(jìn)行合理改進(jìn),才能擴(kuò)大它的有效工作范圍和靈活性,滿足實(shí)際需求。

        2 松土器的改進(jìn)和分析

        通過需求分析,將原有松土齒的銷子連接方式改成調(diào)整缸連接的升降方式,如圖2所示。在調(diào)整缸活塞桿端裝一銷軸與松土齒頂部連接,橫梁上端設(shè)計一底座固定調(diào)整缸,從而實(shí)現(xiàn)松土齒的自由伸縮。為了防止松土齒工作時產(chǎn)生晃動損害調(diào)整缸,調(diào)整缸選耳軸式液壓缸。

        圖2 改進(jìn)松土器

        通過結(jié)構(gòu)改進(jìn),松土齒在調(diào)整缸的作用下可以在橫梁中任意伸縮,實(shí)現(xiàn)松土齒伸出量的實(shí)時調(diào)整,解決了原推土機(jī)松土器存在的問題。

        2.1 運(yùn)動學(xué)分析

        根據(jù)原松土器提升缸、傾斜缸結(jié)構(gòu)尺寸和松土齒調(diào)整尺寸,理論分析松土器最大挖掘深度和松土軌跡包絡(luò)線。松土器提升缸的行程為610 mm,松土器傾斜缸的行程為830 mm,調(diào)整缸行程為860 mm。

        在ADAMS軟件中對改進(jìn)的松土器模型所有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處設(shè)置轉(zhuǎn)動副,對提升缸、傾斜缸和調(diào)整缸的缸筒與活塞桿之間設(shè)置移動副。

        對提升缸、傾斜缸和調(diào)整缸設(shè)置位移控制參數(shù)如下:

        (1) 提升缸編輯器設(shè)置位移參數(shù)為:

        step(time,0,0,8,610)-step(time,12,0,16,350)

        (2) 傾斜缸編輯器設(shè)置位移參數(shù)為:

        step(time,8,0,12,-830)+step(time,16,0,20,830)

        (3) 調(diào)整缸編輯器設(shè)置位移參數(shù)為:

        step(time,0,0,3,860)

        圖3為松土齒齒尖運(yùn)動軌跡,整個運(yùn)動過程為:從圖3中最高提升位置開始下降,提升缸和調(diào)整缸同時輸出,調(diào)整缸在3 s后伸出到最大860 mm,之后再經(jīng)過近1 s松土齒齒尖到達(dá)A點(diǎn),進(jìn)入被松土物內(nèi)部,直到提升缸行程達(dá)到610 mm,松土齒齒尖到達(dá)B點(diǎn),此后傾斜缸輸出,經(jīng)過4 s后活塞桿完全輸出至830 mm,松土齒齒尖到達(dá)C點(diǎn),之后提升缸活塞桿返程運(yùn)行350 mm,松土齒齒尖到達(dá)D點(diǎn),此時松土器完成了一次松土任務(wù),之后傾斜缸完全收回活塞桿,松土齒齒尖又回到A點(diǎn),整個過程最大松土深度達(dá)到了870 mm,這是因?yàn)樗赏笼X完全收回時,齒尖還在橫梁下方漏出一部分,所以當(dāng)調(diào)整缸在3 s后伸出到最大860 mm,最大松土深度達(dá)到了870 mm,橫向?qū)挾茸畲筮_(dá)到655 mm。由于松土器是安裝在推土機(jī)上工作的,因此最大挖掘松土深度是松土器的一個重要性能參數(shù),橫向?qū)挾戎皇峭仆翙C(jī)靜止時的松土器理論值。

        2.2 底座有限元分析

        在松土齒強(qiáng)制入土?xí)r,松土器底座受力最大,對其損壞的可能性最大,可通過有限元分析法求得較真實(shí)的受力數(shù)據(jù),以便對結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的安全評判和參數(shù)設(shè)計。

        底座是由支座和耳子構(gòu)成,耳子與支座通過止口定位螺栓連接。支座通過螺栓連接在橫梁上,耳子與調(diào)整缸的耳軸配合。

        底座兩部分的材料均采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235,經(jīng)熱軋熱處理,其屈服強(qiáng)度為235 MPa,彈性模量為208 GPa,泊松比為0.279,質(zhì)量密度為7 850 kg/m3。該結(jié)構(gòu)板材厚度為50 mm,其許用應(yīng)力為200 MPa。

        利用UG_CAE模塊對其進(jìn)行有限元分析。

        2.2.1 前處理分析

        (1) 在UG_CAE模塊下建立底座有限元模型和SIM仿真模型。

        (2) 添加約束和載荷: 支座底部添加固定約束,耳子與支座間添加面對面粘合約束。通過計算可知松土齒伸出量為550 mm時,對地面作用力最大,其值為98 938 N,作用在耳子的兩個孔內(nèi),方向沿著液壓缸軸線向上。

        (3) 對零件添加材料屬性:指定材料的彈性模量為208 GPa,泊松比為0.279,質(zhì)量密度為7 850 kg/m3。

        (4) 單元屬性類型:對分析零件進(jìn)行3D四面體單元網(wǎng)格劃分,此類型網(wǎng)格為四面體十節(jié)點(diǎn),底座劃分網(wǎng)格單元大小選擇為平均單元尺寸20 mm,四面體單元個數(shù)為82 699個。底座前處理模型如圖4所示。

        圖3 松土齒齒尖軌跡包絡(luò)線 圖4 底座前處理模型

        2.2.2 后處理分析

        (1) 底座應(yīng)力云圖如圖5所示,底座最大應(yīng)力值發(fā)生在耳子與支座的接觸處,最大應(yīng)力為100.06 MPa,但對整個構(gòu)件來說影響很小。

        (2) 圖6、圖7分別為耳子孔內(nèi)應(yīng)力云圖和底座變形云圖。從圖6、圖7中可以看出:承載載荷最大應(yīng)力為19.108 MPa,在該材料應(yīng)力允許的范圍內(nèi);整個底座的最大變形量為0.57 mm,也是比較小的,活塞桿與松土齒之間是通過銷軸連接,所以底座的變形不會影響到松土齒在橫梁內(nèi)的運(yùn)動。

        圖5 底座應(yīng)力云圖 圖6 耳子孔內(nèi)應(yīng)力值圖7 底座變形云圖

        通過上述分析可知,改進(jìn)后的松土器底座設(shè)計完全能滿足松土器的使用要求。

        3 小結(jié)

        (1) 通過改進(jìn)結(jié)構(gòu),松土齒在調(diào)整缸的作用下可以在橫梁中任意伸縮,實(shí)現(xiàn)松土齒伸出量的實(shí)時調(diào)整,解決了原推土機(jī)松土器存在的問題。

        (2) 對簡化后的裝配體在ADAMS軟件中求解,得到齒尖運(yùn)動的包絡(luò)線,驗(yàn)證松土深度和提升高度,得到齒尖的空間運(yùn)動軌跡。

        (3) 利用UG_CAE模塊,分析了底座在受到最大作用力時的應(yīng)力和變形,結(jié)果表明底座結(jié)構(gòu)能滿足強(qiáng)度要求,設(shè)計是合理的。

        參考文獻(xiàn):

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        [3] 譚學(xué)斌.引進(jìn)技術(shù),促進(jìn)推土機(jī)行業(yè)發(fā)展[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2008,21(8):66-69.

        [4] 肖藝.推土機(jī)后工作裝置動力學(xué)及有限元分析[D].長春:吉林大學(xué),2009:43-55.

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