0 引言

礦用裝載機(jī)是隧洞鉆爆后出碴的專用設(shè)備，主要用于隧道的出碴、表面土壤的挖掘、清除爆破或挖掘后的土石碴。工作裝置作為礦用裝載機(jī)的核心構(gòu)件，減輕工作裝置的結(jié)構(gòu)質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)礦用挖掘機(jī)節(jié)能減排的主要方面。工作裝置的輕量化設(shè)計(jì)是在滿足工作裝置力學(xué)性能的同時(shí)減輕工作裝置的的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而降低生產(chǎn)成本[1]。文獻(xiàn)[2]利用Pro/E對(duì)礦用裝載機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析；文獻(xiàn)[3]利用Pro/E對(duì)裝載機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化；文獻(xiàn)[4]利用SolidWorks及Hypermesh對(duì)礦用裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析并針對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行了基于變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化；文獻(xiàn)[5]利用Pro/E對(duì)實(shí)際挖掘工況下井下裝載機(jī)大臂進(jìn)行了工程分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)某大型礦用裝載機(jī)工作裝置建立了有限元模型并進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到工作裝置應(yīng)力分布情況，針對(duì)應(yīng)力盈余較多的斗桿做了輕量化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化前后工作裝置進(jìn)行了模態(tài)分析，保證了工作裝置的動(dòng)態(tài)性能。

1 工作裝置靜強(qiáng)度分析

1.1 計(jì)算姿態(tài)與挖掘阻力的確定

在礦用裝載機(jī)扒渣作業(yè)過(guò)程中，存在多種工作姿態(tài)，任一姿態(tài)都是一種獨(dú)立的工況，由于本礦用裝載機(jī)與液壓挖掘機(jī)在結(jié)構(gòu)和功能上類似[6]，由文獻(xiàn)[7]對(duì)工作裝置最危險(xiǎn)姿態(tài)做如下定義：動(dòng)臂油缸的作用力臂達(dá)到最大，斗桿油缸和鏟斗油缸協(xié)調(diào)動(dòng)作，斗桿油缸作用力臂力臂達(dá)到最大值，工作裝置處于最大鏟斗挖掘力的狀態(tài)，切向挖掘力作用在斗齒尖處。此時(shí)工作裝置各油缸參數(shù)如表1所示。表中，L1表示動(dòng)臂油缸的伸長(zhǎng)量，L2表示斗桿油缸的長(zhǎng)量，L3表示鏟斗油缸的伸長(zhǎng)量。根據(jù)各油缸伸長(zhǎng)量，可確定工作裝置各部件的相對(duì)轉(zhuǎn)角，作為建模時(shí)各部件的裝配關(guān)系。

表1 危險(xiǎn)工況下工作裝置參數(shù)表

當(dāng)?shù)V用裝載機(jī)采用鏟斗挖掘時(shí)，土壤的切削阻力與切削深度基本成正比。鏟斗油缸工作時(shí)，其挖掘阻力的切向分力w1可以用以下公式進(jìn)行計(jì)算[8]：

式中：C表示土壤的硬度系數(shù)，針對(duì)礦用裝載機(jī)施工中可能遇到的最不利工況，即遇到夾有石塊的重質(zhì)礫巖，重質(zhì)干粘土，爆破不良的泥灰石的V等級(jí)土，取C=10進(jìn)行計(jì)算；R表示鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)到斗齒尖的距離，表示鏟斗挖掘轉(zhuǎn)角的一半，取表示鏟斗瞬時(shí)轉(zhuǎn)角；B為切削刃寬度影響系數(shù)，B=1+2.6b，其中b=0.62為鏟斗平均寬度，B=2.612；A為切削角變化影響系數(shù)，取A=1.3；Z為鏟斗斗齒的影響系數(shù)，取Z=1.5；X為鏟斗側(cè)壁寬度影響系數(shù)，由側(cè)壁厚度S=50mm，得X=1+0.03S=115mm；D表示切削刃擠壓土壤的力，取D=13kN；取法向挖掘阻力W1F=0.2W1。當(dāng)時(shí)，可得最大挖掘阻力，W1max=13.08kN，則W1Fmax=0.2W1max=2.616kN。

1.2 有限元模型的建立

礦用裝載機(jī)的工作裝置整體有限元模型是由轉(zhuǎn)臺(tái)、動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、油缸、連桿和搖臂組成，它們是裝載機(jī)作業(yè)時(shí)的直接受力構(gòu)件。

首先，基于礦用裝載機(jī)CAD圖紙，直接在ANSYS中建立各構(gòu)件實(shí)體幾何模型，在實(shí)際建模中，對(duì)各構(gòu)件焊接接頭按連續(xù)處理，其材料特性與母材一致，為了便于模型的建立及網(wǎng)格的順利劃分，對(duì)模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化,如：去掉了螺紋孔、倒角、運(yùn)輸?shù)醵取８鳂?gòu)件幾何模型如圖1所示。

圖1 工作裝置幾何模型

其次，根據(jù)實(shí)際情況，定義材料屬性，包括：彈性模量E=2.06×106Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3。各構(gòu)件采用Solid186單元模擬，連接處的銷軸采用beam188單元模擬，耦合單元模擬銷軸與軸套間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，液壓油缸采用link單元模擬，通過(guò)設(shè)置截面面積、彈性模量、密度等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際液壓油缸的模擬。

然后，對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，均采用自由劃分的方法，單元尺寸控制在15mm～20mm，為了提高計(jì)算精度，銷軸處網(wǎng)格進(jìn)行了局部細(xì)化。最后將各構(gòu)件的有限元模型進(jìn)行組裝，得到危險(xiǎn)姿態(tài)下工作裝置整體的有限元模型。該姿態(tài)下有限元模型包括266783個(gè)單元，其中266638個(gè)實(shí)體單元，142個(gè)梁?jiǎn)卧?個(gè)桿單元，以及444467個(gè)節(jié)點(diǎn)。

最后，施加邊界條件，將裝載機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行全約束，由上述過(guò)程計(jì)算的切向和法向挖掘阻力將作為外載荷施加到有限元模型中鏟斗斗尖處，如圖2所示。

圖2 工作裝置有限元模型及邊界載荷

1.3 工作裝置靜強(qiáng)度分析結(jié)果

已知該礦用裝載機(jī)材料為Q235鋼，屈服極限有限元分析結(jié)果顯示工作裝置最大應(yīng)力為802MPa，發(fā)生在動(dòng)臂上耳板與斗桿油缸鉸接孔處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料的屈服極限，出現(xiàn)這種情況的原因是模型的簡(jiǎn)化造成了在載荷施加處的應(yīng)力集中，該應(yīng)力集中影響范圍很小，且實(shí)際中不會(huì)出現(xiàn)。因此，選定應(yīng)力顯示范圍為0～235MPa來(lái)觀察模型，如圖3所示，可發(fā)現(xiàn)局部應(yīng)力較大的位置在鏟斗外側(cè)加強(qiáng)板與外底板焊接處，鏟斗側(cè)板與底板連接處，鏟斗耳板與鏟斗焊接處，斗桿及動(dòng)臂各耳板焊接根部，以及耳板上的鉸孔處。由圖3觀察整個(gè)模型，發(fā)現(xiàn)斗桿腹板和翼板均處于低應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力不超過(guò)20MPa，因此可對(duì)斗桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定優(yōu)化，減少材料的浪費(fèi)，達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)重量及節(jié)省材料的目的。

圖3 工作裝置整體應(yīng)力云圖

2 基于APDL的斗桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 斗桿參數(shù)化建模及分析

APDL是ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，使用APDL參數(shù)化分析是在ANSYS中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心，只有這樣才可以對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，達(dá)到目標(biāo)最優(yōu)的目的[9]。本文基于APDL語(yǔ)言建立參數(shù)化斗桿模型，使用shell181單元進(jìn)行模擬，將各腹板和翼板的厚度看作幾何參數(shù)，賦予各面相對(duì)應(yīng)的材料屬性和板厚，自由劃分網(wǎng)格，根據(jù)文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[10]，對(duì)斗桿進(jìn)行受力分析，確定斗桿所受載荷，通過(guò)計(jì)算，斗桿各鉸孔的受力如表2所示。將斗桿與動(dòng)臂的鉸孔約束5個(gè)自由度，只釋放一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在斗桿有限元模型上添加載荷與約束后，就可以進(jìn)行靜力分析。添加約束和載荷的有限元模型如圖4所示。靜力分析結(jié)果如圖5所示。

表2 斗桿各鉸孔載荷計(jì)算結(jié)果

圖4 斗桿有限元模型圖

圖5 斗桿靜力分析結(jié)果圖

從上圖可以看出，斗桿最大應(yīng)力235Mpa，發(fā)生在動(dòng)臂與斗桿的鉸孔處，此外，斗桿上與鏟斗油缸和斗桿油缸連接的耳板根部應(yīng)力也較大。然而，整個(gè)斗桿的腹板和翼板絕大部分處于低應(yīng)力區(qū)，不超過(guò)20Mpa。接下來(lái)對(duì)斗桿進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

2.2 斗桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化求解

本文采用ANSYS中的Design Opt模塊，利用一階優(yōu)化方法對(duì)斗桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[11]。具體優(yōu)化過(guò)程為：首先對(duì)原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行求解和相關(guān)分析，其次以設(shè)計(jì)要求為基準(zhǔn)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行可行性分析，最后按需對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。這樣的優(yōu)化過(guò)程將一直循環(huán)直到最優(yōu)值時(shí)停止退出。優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可等效為下式：

式中，表示設(shè)計(jì)變量，表示狀態(tài)變量，表示目標(biāo)函數(shù)。

根據(jù)斗桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取各板的厚度為設(shè)計(jì)變量，共8個(gè)。即：

上述設(shè)計(jì)變量的含義及初始值如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)變量初始值

斗桿在優(yōu)化過(guò)程中，各個(gè)設(shè)計(jì)變量、體積隨迭代次數(shù)的具體變化曲線如圖6和圖7所示。

圖6 優(yōu)化過(guò)程中各設(shè)計(jì)變量變化曲線

圖7 優(yōu)化過(guò)程中斗桿總體積變化曲線

得到最優(yōu)解后，需對(duì)最優(yōu)解進(jìn)行合理的圓整，再用圓整后的值代入?yún)?shù)化建模程序，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行分析求解，查看最大應(yīng)力等結(jié)果，保證結(jié)構(gòu)合理可靠。

圓整后的設(shè)計(jì)值如表4所示。

表4 斗桿優(yōu)化結(jié)果圓整值

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，斗桿應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后斗桿結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖

由圖8看出，斗桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度依然滿足要求。優(yōu)化前斗桿總質(zhì)量99.4282kg，優(yōu)化后斗桿總質(zhì)量57.6829kg，相比于初始設(shè)計(jì)，質(zhì)量減輕了41.9%。優(yōu)化效果顯著。

3 優(yōu)化前后工作裝置動(dòng)態(tài)能對(duì)比

結(jié)構(gòu)的工作頻率與固有頻率相同時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，這會(huì)降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，本文進(jìn)行的斗桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，極大的減輕了斗桿的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，這可能會(huì)降低工作裝置的固有頻率，從而導(dǎo)致共振的發(fā)生[13]。因此有必要對(duì)比優(yōu)化前后工作裝置的動(dòng)態(tài)性能變化。

圖9 優(yōu)化前模型6階固有振型

按照優(yōu)化后尺寸，建立優(yōu)化后斗桿有限元實(shí)體模型，與其他構(gòu)件組成同一危險(xiǎn)姿態(tài)工作裝置有限元模型，在模型上加上相同的約束和力，在ANSYS中做優(yōu)化前和優(yōu)化后的模態(tài)分析對(duì)比，危險(xiǎn)姿態(tài)下優(yōu)化前模型前6階固有振型如圖9所示，優(yōu)化后振型變化不大，危險(xiǎn)姿態(tài)下優(yōu)化前后工作裝置前6階固有頻率如表5所示。由表5可知，工作裝置優(yōu)化前后固有頻率變化不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工作裝置的工作頻率，故斗桿的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)工作裝置的動(dòng)態(tài)性能沒(méi)有影響。

4 結(jié)論

1）工作裝置有限元分析結(jié)果與限元模型的建立密切相關(guān)，在一個(gè)軟件中建立模型導(dǎo)入另一個(gè)軟件有限元分析，會(huì)由于軟件兼容性問(wèn)題將模型改變，從而導(dǎo)致結(jié)果的不確定性，本文直接在ANSYS中建立礦用裝載機(jī)工作裝置有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到工作裝置應(yīng)力分布情況和應(yīng)力盈余處，提高了有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表5 優(yōu)化前后工作裝置的6階固有頻率

2）以斗桿輕量化設(shè)計(jì)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，斗桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并未發(fā)生改變，斗桿的質(zhì)量減少了41.7453kg，相比原來(lái)減輕了41.9%，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目的。

3）對(duì)優(yōu)化前后工作裝置的有限元模型進(jìn)行了模態(tài)分析，得知工作裝置的振型和固有頻率變化不大，保證了工作裝置的動(dòng)態(tài)性能。

4）從優(yōu)化結(jié)果可知，本文結(jié)合有限元分析技術(shù)對(duì)斗桿模型進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有可行性，對(duì)礦用裝載機(jī)的工作裝置及整機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

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