1、輪式裝載機(jī)工作裝置的有限元分析1、 引言 裝載機(jī)是工程機(jī)械的主要機(jī)種之一，廣泛用于建筑、礦山、水電、橋梁、鐵路、公路、港口、碼頭等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門。國(guó)外裝載機(jī)發(fā)展迅速，而我國(guó)裝載機(jī)在設(shè)計(jì)上存在很多問題，其中主要集中在可靠性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等方面1,2。由于采取“類比試湊”等設(shè)計(jì)方法在一定程度上存在盲目性，容易形成設(shè)計(jì)中的“人為”應(yīng)力集中點(diǎn)，造成機(jī)構(gòu)整體強(qiáng)度的削弱甚至破壞。按這種設(shè)計(jì)生 產(chǎn)出的產(chǎn)品，外觀上看上去很強(qiáng)壯、剛性很好，但卻有內(nèi)在的設(shè)計(jì)缺陷，使用過程中常因工作裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等原因，產(chǎn)生開焊、甚至斷裂等破壞，致使工作裝置報(bào)廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。 本文將以SDZ20型裝載機(jī)為例，建立有限元模型，在

2、典型工況下用MARC軟件進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，獲得工作裝置整體的應(yīng)力及變形分布。其結(jié)論對(duì)該種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。 2、 工作裝置結(jié)構(gòu)受力破壞與力學(xué)特征 2.1工作裝置的結(jié)構(gòu) 如圖1所示，工作裝置由鏟斗、動(dòng)臂、橫梁、支撐、搖臂、拉桿等組成。各構(gòu)件之間由鉸銷聯(lián)接，有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了增強(qiáng)搖臂、支撐的剛度，在搖臂及支撐之間有筋板連接，在計(jì)算時(shí)，可以將其視為一體。動(dòng)臂上鉸點(diǎn)與裝載機(jī)前車架鉸接，中部鉸點(diǎn)與舉臂油缸鉸接；搖臂上鉸點(diǎn)與翻斗油缸鉸接。用MARC對(duì)其做有限元靜力分析中，認(rèn)為工作裝置各鉸接處沒有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)臂是工作裝置的主要受力部件，其截面形狀為矩形；又因其長(zhǎng)、寬方向遠(yuǎn)大于厚度方向，故可以用板

3、殼元對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行離散。橫梁截面為箱形，為焊接結(jié)構(gòu)。搖臂和支撐也是焊接結(jié)構(gòu)，其焊接板的截面均為矩形。考慮各構(gòu)件的厚度遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向的厚度，可以認(rèn)為均為板類零件。 2.2結(jié)構(gòu)受力與破壞特征 裝載機(jī)整體結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。分析裝載機(jī)插入、鏟起、舉升、卸載等的作業(yè)過程可知，裝載機(jī)載初鏟時(shí)，工作裝置受力最大。在整個(gè)工作過程中受到的外界載荷為不變載荷，主要是物料的重量以及機(jī)構(gòu)自重。由于物料種類和作業(yè)的條件不同，裝載機(jī)工作時(shí)鏟斗切削刃并非均勻受載，一般可以簡(jiǎn)化為兩種極端情況：（1）認(rèn)為載荷沿切削刃均勻分布，并以作用在鏟斗切削刃中點(diǎn)的集中載荷來代替均布載荷，稱其為對(duì)稱受載情況；（2）非對(duì)稱受載情況，由于鏟斗偏鏟

4、、料堆密集情況不均，使載荷偏于鏟斗一側(cè)，通常將其簡(jiǎn)化為集中載荷作用在鏟斗最邊緣的斗齒上。這兩種處理方法都是偏于安全的。當(dāng)結(jié)構(gòu)受力超過其極限載荷，材料發(fā)生塑性變形直至開裂（焊接部位）或斷裂。 3、 有限元模型的建立及邊界條件 工作裝置作為裝載機(jī)的主要工作部件，強(qiáng)度和剛度必須有充分的保證。根據(jù)工作裝置的結(jié)構(gòu)特征，建立起與其對(duì)應(yīng)的有限元模型。 3.1單元類型的選取有限元網(wǎng)格劃分 工作裝置的各板厚度均勻，且長(zhǎng)寬相比較小的多。根據(jù)經(jīng)典薄殼理論假設(shè)，厚度小于中面輪廓尺寸1/5的為薄板。因此可以采用空間板殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。考慮四邊形單元比三角形單元具有更高的計(jì)算精度，而三角形單元比四邊形單元更利于擬合過渡

5、，所以采用四邊形單元與三角形單元混合進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 有限元網(wǎng)格按照“均勻應(yīng)力區(qū)粗劃、應(yīng)力梯度大的區(qū)域細(xì)劃”的原則進(jìn)行劃分。按照給定尺寸自動(dòng)劃分后，對(duì)局部（如尖角和軸承孔等部位）進(jìn)行細(xì)劃。有限元模型如圖2所示。 3.2邊界條件的施加 邊界條件包括兩方面：邊界載荷和邊界約束。取額定裝載量，按靜力等效的原則將力施加在鏟斗尖內(nèi)移約100mm處中部。在初鏟轉(zhuǎn)斗時(shí)，可認(rèn)為舉臂油缸和翻斗油缸都不動(dòng)，動(dòng)臂的兩個(gè)鉸銷部位和搖臂的鉸銷部位無相對(duì)移動(dòng)。 3.2.1邊界載荷 額定裝載為2104N。聯(lián)合鏟取的工況進(jìn)行加載。根據(jù)以上假設(shè)，可以計(jì)算出鏟斗所受水平力Rx和垂直力Ry。 水平力（即插入阻力）的大小由裝載機(jī)的牽引

6、力確定 Rx=Pkpmax=4000N 式中，Pkpmax為裝載機(jī)的牽引力。 垂直力（即鏟起阻力）大小受裝載機(jī)的縱向穩(wěn)定條件的限制。 Ry=GL1/L=58800x1300/2615.8=26974N 式中，G裝載機(jī)自重，為6000kg（58800N）。 L1中心到前輪水平距離，為1300mm。 L垂直力作用點(diǎn)到前輪水平距離，為2615.8mm 。 考慮到鏟斗的特殊性，對(duì)其變形及破壞不予考慮。根據(jù)圣維南原理，局部載荷不影響遠(yuǎn)處應(yīng)力場(chǎng)的分布，可以知道，在鏟斗尖部附近所施加的點(diǎn)載荷不會(huì)影響除去鏟斗外的工作裝置的應(yīng)力分布。所以這種加載方式是可行的。 3.2.2邊界約束 根據(jù)假設(shè)，舉臂油缸和翻斗油缸不

7、動(dòng)。這樣，在油缸與工作裝置的鉸接處和動(dòng)臂與前車架的鉸接處分別施加對(duì)應(yīng)的邊界條件。 3.3材料性能參數(shù)的確定 SDZ20型裝載機(jī)工作裝置構(gòu)件所用的材料為16Mn（包括動(dòng)臂、搖臂、支撐、橫梁和各筋板、加強(qiáng)板）和Q235（拉桿），變形在彈性范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)各構(gòu)件分別施加所需材料常數(shù)： 4、 結(jié)果分析 用MARC軟件對(duì)工作裝置進(jìn)行有限元分析，得到整個(gè)工作裝置的整體應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、變形場(chǎng)分布，圖3給出了工作裝置的局部等效應(yīng)力分布。 圖3局部等效應(yīng)力分布云圖各構(gòu)件的應(yīng)力及位移的最大值分別如下表所示。 由結(jié)果可知，該裝置的結(jié)構(gòu)完全滿足了強(qiáng)度要求。各構(gòu)件情況是：動(dòng)臂的危險(xiǎn)點(diǎn)在動(dòng)臂下鉸點(diǎn)及動(dòng)臂與舉臂油缸鉸接處附近，應(yīng)力值已經(jīng)分別達(dá)到142.5MPa和118.9MPa，偏載時(shí)應(yīng)力值達(dá)到184.5 MPa和153.6 MPa，是正載時(shí)的1