（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

在土石方作業(yè)中裝載機(jī)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]，它影響著整個(gè)工程的成本和效率。從對(duì)裝載機(jī)工作環(huán)境的惡劣性和保證施工過(guò)程中人員的安全性的角度來(lái)看，裝載機(jī)的研發(fā)和制造水平顯得尤為重要[2]。因此設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更加合理且更加優(yōu)化的裝載機(jī)能很大程度上提高工程作業(yè)的效率[3]，降低工程的成本和保證人員的安全[4]。

2 裝載機(jī)的工作裝置

2.1 工作裝置簡(jiǎn)介

工作裝置主要是有鏟取和卸載物料的作用，它安裝在裝載機(jī)的前部，是裝載機(jī)的關(guān)鍵部件[5]。它主要由搖臂、連桿、鏟斗、動(dòng)臂、車(chē)架和油缸組成，在裝載機(jī)作業(yè)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[6]。

2.2 工作裝置三維模型建立

運(yùn)用Pro/E的零件模塊建立裝載機(jī)工作裝置各個(gè)構(gòu)件的模型[7]，運(yùn)用Pro/E的裝配功能將車(chē)架、鏟斗、動(dòng)臂、油缸等進(jìn)行裝配，完成后如圖1所示。

圖1 工作裝置裝配圖

3 工作裝置的靜力學(xué)分析

3.1 導(dǎo)入工作裝置三維模型

通過(guò)Pro/E與ANSYS Workbench的接口將建立的工作裝置總成模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中[8]。打開(kāi)后如圖2所示。

圖2 工作裝置總成模型

3.2 工作裝置材料屬性的定義

將工作裝置總成模型導(dǎo)入ANSYS Workbench后，對(duì)車(chē)架與油缸抑制，只對(duì)鏟斗、動(dòng)臂、搖臂和連桿四個(gè)構(gòu)件件進(jìn)行分析[9]，如表1所示。

表1 各構(gòu)件材料屬性

3.3 工作裝置網(wǎng)格的劃分

為了使計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存要求都比較理想[10]，采用系統(tǒng)默認(rèn)的自動(dòng)劃分網(wǎng)格的形式，對(duì)體進(jìn)行掃掠劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

3.4 工作裝置約束和載荷的施加

在工作裝置進(jìn)行鏟裝作業(yè)時(shí)[11]，其動(dòng)臂保持不動(dòng)，鏟斗依靠轉(zhuǎn)斗油缸鏟裝物料，由此可以得出油缸與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)、動(dòng)臂上的鉸接點(diǎn)設(shè)置應(yīng)為固定約束，連桿和鏟斗、動(dòng)臂和搖臂、搖臂和連桿、動(dòng)臂和鏟斗的接觸設(shè)置應(yīng)為圓柱面約束，搖臂上的鉸接點(diǎn)設(shè)置應(yīng)為圓柱面約束[12]。

分析對(duì)稱垂直受力工況，由鏟斗的底面積和垂直載荷的最大值可知，加載在鏟斗上的應(yīng)力載荷應(yīng)為0.15MPa，如圖4所示。

圖4 施加載荷

3.5 工作裝置靜力學(xué)分析結(jié)果

設(shè)置完成后，求解，求解完成后獲得工作裝置的等效應(yīng)力圖、等效彈性應(yīng)變圖、總變形圖和各方向、各平面應(yīng)力圖。各圖如圖5～圖13所示。

圖5 X軸方向應(yīng)力圖

圖6 Y軸方向應(yīng)力

圖7 Z軸方向應(yīng)力圖

圖8 XY面剪切應(yīng)力圖

圖9 YZ面剪切應(yīng)力圖

圖10 XZ面剪切應(yīng)力圖

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析可得工作裝置在載荷作用下的最大應(yīng)力值和分布情況，如表2所示。

圖11 等效應(yīng)力圖

圖12 總變形圖

圖13 等效彈性應(yīng)變圖

表2 工作裝置單元應(yīng)力

由圖11、圖12、圖13和表2可以看出最容易引發(fā)應(yīng)力集中的地方是動(dòng)臂的前端，所以在工作裝置設(shè)計(jì)中特別要加強(qiáng)和優(yōu)化動(dòng)臂強(qiáng)度和剛度。

因動(dòng)臂是最主要的應(yīng)力承受處，為防止它在工作中發(fā)生斷裂和變形的情況，對(duì)其加厚10mm進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后進(jìn)行仿真可得工作裝置的等效應(yīng)力圖、等效彈性應(yīng)變圖、總變形圖和各方向、各平面應(yīng)力圖。各圖如圖14～圖22所示。

圖14 X軸方向應(yīng)力圖

圖15 Y軸方向應(yīng)力圖

圖16 Z軸方向應(yīng)力圖

圖17 XY面剪切應(yīng)力圖

圖18 YZ面剪切應(yīng)力圖

圖19 XZ面剪切應(yīng)力圖

圖20 等效應(yīng)力圖

圖21 總變形圖

圖22 等效彈性應(yīng)變圖

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析可得改進(jìn)后動(dòng)臂前端在工作時(shí)所承受的最大應(yīng)力值減少，動(dòng)臂的強(qiáng)度和剛度增強(qiáng)，在進(jìn)行同等強(qiáng)度的工作時(shí)，安全系數(shù)會(huì)增大[13]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合裝載機(jī)的使用要求和性能參數(shù)對(duì)關(guān)鍵部件工作裝置進(jìn)行了分析，并用Pro/E進(jìn)行建模，通過(guò)ANSYS Workbench對(duì)工作裝置進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出了合方向、合平面的應(yīng)力圖以及總變形和等效彈性應(yīng)變圖。對(duì)求解結(jié)果分析可得，因?yàn)樽畲髴?yīng)力主要發(fā)生在工作裝置動(dòng)臂的前端，所以對(duì)動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，即整體加厚10mm，經(jīng)ANSYS Workbench分析可知，最大應(yīng)力減小了一半左右，應(yīng)力值相對(duì)較小，由此可知，此結(jié)構(gòu)為較優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)也為裝載機(jī)以后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。