劉煥偉 馬蕓慧 劉 鵬

（泰山科技學(xué)院，山東 泰安 271002）

國(guó)際上液壓扒渣機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展[1]。為滿足狹小空間挖掘裝載的需要，國(guó)外發(fā)展了斗容量在0.25m3以下的液壓扒渣機(jī)，另外，中、小型液壓扒渣機(jī)趨向于單機(jī)多功能，配備了多種工作裝置，除正鏟、反鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、推土板、沖擊鏟、高空作業(yè)架等，以滿足各種施工的需要[2]。在上述基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，加速了液壓扒渣機(jī)的更新?lián)Q代進(jìn)程，并提高了其可靠性。

從國(guó)內(nèi)情況分析，我國(guó)正處在道路交通、城市建設(shè)等的高峰期，而前幾年大量投入使用的高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施，正越來(lái)越多地進(jìn)入維修保護(hù)期，人們對(duì)城市道路建設(shè)和維護(hù)以及煤氣管道、自來(lái)水管道的維護(hù)要求越來(lái)越高，人力是無(wú)法完成的，近幾年小型基礎(chǔ)設(shè)施逐漸增多，因此，小型化的土方工程施工機(jī)械設(shè)備必將代替人工勞動(dòng)，扒渣機(jī)可迅速有效地完成人力無(wú)法完成的工作[3]，其靈活的工作空間、便捷的運(yùn)輸方式將會(huì)取代大型設(shè)備。

液壓扒渣機(jī)是由工作臂與傳送裝置相結(jié)合，扒取和傳送功能為一體，采用液壓系統(tǒng)控制的工作裝置，主要用于隧道挖掘、哭鞍山工程及小斷面引水洞等生產(chǎn)作業(yè)空間狹小、大型機(jī)械設(shè)備難以到達(dá)的場(chǎng)所。工作環(huán)境比較惡劣，分析在極端環(huán)境下的受力情況很重要，本文對(duì)極端狀況下的工作狀態(tài)做了靜力學(xué)分析，對(duì)工作臂做了模態(tài)分析，建立了液壓扒渣機(jī)的仿真模型，對(duì)其進(jìn)行了仿真。

液壓扒渣機(jī)作為挖掘散料的重要設(shè)備之一，加工質(zhì)量與工作效率都需要不斷提升。液壓扒渣機(jī)主要用于礦洞、水電站引水隧洞、鐵路工程隧道等一些生產(chǎn)作業(yè)空間狹窄大型機(jī)械設(shè)難以到達(dá)的施工地點(diǎn)，進(jìn)行各種礦石、散料、泥渣的挖掘、輸送及裝車作業(yè)。液壓扒渣機(jī)對(duì)于降低工人繁重的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工機(jī)械化水平，提高工作效率，都起著重要作用。因此，液壓扒渣機(jī)的發(fā)展對(duì)提高狹小施工空間場(chǎng)所的工作效率具有重要意義。

傳統(tǒng)的液壓扒渣機(jī)雖然總體結(jié)構(gòu)滿足要求，但有些關(guān)鍵零部件不能滿足工作要求，致使設(shè)計(jì)出來(lái)的實(shí)體樣機(jī)，需要不斷地試驗(yàn)和改進(jìn)，這樣延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，利用ANSYS 對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的重要零部件進(jìn)行模擬仿真，確保設(shè)備在滿足工作要求的前提下正常工作。

液壓扒渣機(jī)在我國(guó)正處于蓬勃發(fā)展的時(shí)期，但是與國(guó)外發(fā)展還有較大的差距，易損件更換頻繁，保養(yǎng)維護(hù)成本高，在有限的工作空間內(nèi)不能靈活運(yùn)動(dòng)完成作業(yè)，因此很難完成扒取散料進(jìn)行復(fù)雜操作運(yùn)動(dòng)，也不符合現(xiàn)代企業(yè)制造多樣化和通用性生產(chǎn)的需求，因此如何研發(fā)出運(yùn)動(dòng)靈活穩(wěn)定，控制方便高效，在狹窄的工作空間內(nèi)盡可能滿足工作要求的液壓扒渣機(jī)對(duì)我們提出了強(qiáng)烈要求。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為液壓扒渣機(jī)的發(fā)展提供了動(dòng)力。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中。CAD/CAE 軟件大大提高了工作的效率。利用ANSYS 對(duì)液壓扒渣機(jī)工作過(guò)程中重要零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析以及仿真模擬[4]，進(jìn)行液壓扒渣機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃及仿真，這樣突破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性，從而提高了液壓扒渣機(jī)的設(shè)計(jì)精度，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)省了生產(chǎn)成本。

圖1 工作臂結(jié)構(gòu)圖

表1 液壓扒渣機(jī)主要參數(shù)

液壓扒渣機(jī)的結(jié)構(gòu)將直接影響其工作效率，用ANSYS 對(duì)工作過(guò)程中重要零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析與仿真模擬[5]，能縮短生產(chǎn)周期，提高工作效率，確保工作的可靠性。在保證結(jié)構(gòu)合理的前提下，使其盡可能小巧靈活，增強(qiáng)實(shí)用性。

在煤礦、磷礦、鐵礦等各種礦山及鐵路、公路、水利、國(guó)防等隧道工程中進(jìn)行碎石料采集工作時(shí)，都會(huì)用到扒渣機(jī)，扒渣機(jī)的使用使得裝車變得方便，它是由機(jī)械手與輸送機(jī)相結(jié)合，扒渣和輸送裝車功能合二為一的機(jī)械設(shè)備，具有安全環(huán)保、能耗小、效率高的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，扒渣機(jī)經(jīng)常需要在空間狹小或受限的工作場(chǎng)所進(jìn)行裝車裝料工作，液壓扒渣機(jī)主要在狹小空間或者受限的工作場(chǎng)合進(jìn)項(xiàng)作業(yè)，但是現(xiàn)有扒渣機(jī)由于受各構(gòu)件尺寸和協(xié)同關(guān)系的影響，還不能根據(jù)工作場(chǎng)合的空間范圍、場(chǎng)地的環(huán)境做出適時(shí)調(diào)整，由于工作臂的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)工作臂三維建模時(shí)需要進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化過(guò)程中，主要構(gòu)件的位置和尺寸不變。

扒渣機(jī)工作臂工作過(guò)程中不可避免地要發(fā)生振動(dòng)，分析工作臂的振動(dòng)情況能夠更好地對(duì)工作臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和路徑進(jìn)行優(yōu)化，從而使整機(jī)的性能得到改進(jìn)，擴(kuò)大扒渣機(jī)的適用范圍，減輕勞動(dòng)力，更好地體現(xiàn)科技的創(chuàng)新性和機(jī)械設(shè)備的優(yōu)越性?，F(xiàn)代幾乎所有的機(jī)械工程結(jié)構(gòu)都存在動(dòng)載荷的問(wèn)題，因此，在分析機(jī)械設(shè)備的實(shí)際工作性能時(shí)，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是很關(guān)鍵的，它反映的是零部件在受到動(dòng)載荷作用下瞬時(shí)的變化規(guī)律。

本文以ANSYS 軟件為平臺(tái)對(duì)工作臂的大臂和斗桿進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)分析得到它們的固有振動(dòng)頻率，避開(kāi)周圍環(huán)境的激振頻率，避免產(chǎn)生共振，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析得到它們的速度曲線及加速度曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行分析，對(duì)扒渣機(jī)某一極端工況進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析[6]，能夠確定其瞬態(tài)載荷作用下應(yīng)力、位移、速度、加速度等隨時(shí)間變化的情況，對(duì)極端狀況的瞬間進(jìn)行分析能夠更好地掌握扒渣機(jī)的工作性能。

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，一般應(yīng)用在振動(dòng)領(lǐng)域[7]。期中，模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的股友振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)分析用于確定機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，以避開(kāi)周圍環(huán)境的激振頻率，避免產(chǎn)生共振，它是承受動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。ANSYS 環(huán)境下的模態(tài)分析步驟主要包括建立有限元網(wǎng)格模型、施加邊界條件、設(shè)置求解控制選項(xiàng)、求解、分析結(jié)果。典型的無(wú)阻尼模態(tài)分析求解的基本方法是經(jīng)典的特征值問(wèn)題[8]。

式中，[K]——?jiǎng)偠染仃?，{φi}——第i 階模態(tài)的振型向量；ωi——第i 階模態(tài)的固有頻率；[M]——質(zhì)量矩陣。

大臂模態(tài)分析：在Solidworks 中對(duì)大臂建模，導(dǎo)入ANSYS 中，在ANSYS 中定義單元類型，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3，材料屬性，完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立的大臂有限元模型。

在Solidworks 中對(duì)大臂建完模后導(dǎo)入ANSYS 中，在ANSYS 中對(duì)大臂進(jìn)行單元類型、材料模型完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后對(duì)大臂與回轉(zhuǎn)體鉸接處施加固定約束條件，設(shè)置求解控制選項(xiàng)，最后進(jìn)行求解，求得大臂一至六階的振型圖。

由分析結(jié)果可知，大臂前六階固有頻率分別為：47.0899Hz、80.9913Hz、363.63Hz、378.692Hz、394.045Hz、481.231Hz。由振型圖可知，大臂受到的振幅較大，從第三階段開(kāi)始出現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，第四階段出現(xiàn)彎曲變形。通常情況，液壓扒渣機(jī)振源主要來(lái)自液壓馬達(dá)和行走過(guò)程中履帶與地面之間的振動(dòng)[9]，實(shí)際工作過(guò)程中，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速低于2200r/min，可知頻率低于36.7r/min，行走過(guò)程中履帶的振動(dòng)頻率也比較小，這兩種振動(dòng)頻率均小于大臂的固有頻率，避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生，保證了扒渣機(jī)正常工作的安全性。

斗桿模態(tài)分析：在Solidworks 中對(duì)斗桿建模，為了簡(jiǎn)化模型并且不影響分析結(jié)果，刪除不必要的倒角、圓角和小質(zhì)量構(gòu)建，導(dǎo)入ANSYS 中，在ANSYS 中定義單元類型、材料屬性，完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立的斗桿有限元模型。

在Solidworks 中對(duì)斗桿建完模后導(dǎo)入ANSYS 中，在ANSYS 中對(duì)斗桿進(jìn)行單元類型、材料模型完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后對(duì)鏟斗與斗桿及斗桿與大臂鉸接點(diǎn)處施加固定約束條件[10]，設(shè)置求解控制選項(xiàng)，最后進(jìn)行求解，求得斗桿一至六階的振型圖。

由分析結(jié)果可知，斗桿前六階的固有頻率分別為：129.234Hz、194.622Hz、584.619Hz、713.378Hz、819.421Hz、890.766Hz。由振型圖可知，斗桿受到的振幅較大，從第三階段出現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，第四階開(kāi)始出現(xiàn)彎曲，前六階的固有頻率遠(yuǎn)高于液壓扒渣機(jī)振源的振動(dòng)頻率，斗桿工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，扒渣機(jī)能夠正常工作。