譚志行，呂興業(yè)

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西柳州 545007）

0 引言

工作裝置是抓料機(jī)的主要組成部分之一，承擔(dān)著主要作業(yè)任務(wù)。工作裝置可靠性的保證是抓料機(jī)正常工作的必要條件。目前針對(duì)抓料機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)計(jì)算的資料較少，針對(duì)工作裝置結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核工況尚停留在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。本文結(jié)合某抓料機(jī)開發(fā)實(shí)例，系統(tǒng)闡述了抓料機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)基本思路和流程。對(duì)工作裝置結(jié)構(gòu)件采用截面強(qiáng)度普查法查找危險(xiǎn)工況進(jìn)行闡述，同時(shí)利用VB 可視化編程功能，實(shí)現(xiàn)流程計(jì)算程序化，提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

1 設(shè)計(jì)思路和流程

1.1 作業(yè)參數(shù)定義

抓料機(jī)作業(yè)參數(shù)主要包括最大抓取高度、最大抓取深度、最大抓取半徑、最大半徑時(shí)的抓取重量。作業(yè)參數(shù)的定義應(yīng)能滿足實(shí)際作業(yè)需求，此外也可采用橫向、縱向?qū)Ρ确绞?。作業(yè)參數(shù)一般做為工作裝置設(shè)計(jì)的輸入項(xiàng)，工作裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足作業(yè)參數(shù)要求。

1.2 主要參數(shù)確定

根據(jù)作業(yè)參數(shù)定義，通過放樣確定以下主要參數(shù)：動(dòng)臂長(zhǎng)度、斗桿長(zhǎng)度、動(dòng)臂最大轉(zhuǎn)角、動(dòng)臂最小轉(zhuǎn)角、斗桿最大轉(zhuǎn)角、斗桿最小轉(zhuǎn)角。抓料機(jī)一般配置有直動(dòng)臂和彎斗桿，有利于提高整機(jī)的抓取高度。通過實(shí)際放樣得出的某機(jī)型抓料機(jī)的作業(yè)范圍如圖1 所示。

圖1 作業(yè)范圍

抓料機(jī)的另一個(gè)重要參數(shù)為起重重量，抓料機(jī)起重重量主要受以下4 個(gè)因素影響：①動(dòng)臂油缸的主動(dòng)提升力；②斗桿油缸的閉鎖能力；③整機(jī)穩(wěn)定性；④抓斗的閉鎖能力。對(duì)于其他屬具起吊的情況，也可不考慮抓斗閉鎖力。

由于抓斗端載荷方向一般為豎直向下的，可不必考慮地面附著力的影響。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13331—2014《液壓挖掘機(jī) 起重能力測(cè)試方法》，抓料機(jī)的額定起重重量為：當(dāng)液壓極限狀態(tài)為限制因素時(shí)，在特定載荷點(diǎn)的額定起重重量為最大計(jì)算起重重量的87%；當(dāng)靜載傾翻極限狀態(tài)為限定因素時(shí)，額定起重重量為最大計(jì)算起重重量的75%。

根據(jù)以上條件分別計(jì)算3 種限制條件下的額定起重重量，整機(jī)額定起重重量由三者中的最小值確定。某機(jī)型抓料機(jī)整機(jī)起重能力如圖2 所示。

通過圖2 可以看到各個(gè)限制因素對(duì)起重能力的影響。整機(jī)穩(wěn)定性限制區(qū)域?yàn)锳 區(qū)，占整個(gè)作業(yè)區(qū)域約60%；動(dòng)臂油缸主動(dòng)提升力限制區(qū)域?yàn)锽1 和B2 區(qū)域，占整個(gè)作業(yè)區(qū)域約20%；斗桿油缸閉鎖力限制主要分布于C1 和C2 區(qū)域，占整個(gè)作業(yè)區(qū)域約20%。通過對(duì)比與分析，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，可使3 種限制因素達(dá)到較好的匹配，同時(shí)也為改善特定區(qū)域的起重能力提供了改進(jìn)思路。

圖2 整機(jī)起重能力

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算與校核

按圖3 對(duì)抓料機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

圖3 工作裝置結(jié)構(gòu)

其中：G0～G4 分別為主機(jī)重量、動(dòng)臂重量、斗桿重量、動(dòng)臂油缸重量和斗桿油缸重量。G 為起重重量，由整機(jī)穩(wěn)定性、動(dòng)臂油缸主動(dòng)提升力、斗桿油缸閉鎖力限制因素共同決定。E1、E2 分別為：動(dòng)臂油缸對(duì)C 點(diǎn)作用力臂、斗桿油缸對(duì)F 點(diǎn)作用力臂。UC0、UC1、UC2 分別為AC 線與水平面夾角、動(dòng)臂與水平面夾角、斗桿與動(dòng)臂夾角。L0～L7 分別為對(duì)應(yīng)距離尺寸。

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要計(jì)算流程：①由UC1、UC2 確定工作裝置姿態(tài)；②由整機(jī)穩(wěn)定性條件，計(jì)算起重重量G_1；③由整機(jī)穩(wěn)定性條件，計(jì)算起重重量G_2；④由整機(jī)穩(wěn)定性條件，計(jì)算起重重量G_3；⑤由min（G_1、G_2、G_3）得出起重重量G；⑥由G 反算各個(gè)絞點(diǎn)作用力；⑦由各個(gè)絞點(diǎn)作用力校核動(dòng)臂、斗桿強(qiáng)度。

在實(shí)際結(jié)構(gòu)校核的過程中，由于抓料機(jī)的作業(yè)工況和挖掘機(jī)作業(yè)工況存在較大差別，很難直接將挖掘機(jī)的計(jì)算工況直接應(yīng)用于抓料機(jī)結(jié)構(gòu)校核中。而工況的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大，在整個(gè)起重范圍內(nèi)，很難選取某一固定的工況做為極限工況。采用應(yīng)力普查法確定極限工況是結(jié)構(gòu)校核的常用方法。

所謂應(yīng)力普查法，就是通過對(duì)不同姿態(tài)下對(duì)動(dòng)臂、斗桿截面的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，通過篩選得出各個(gè)截面最大應(yīng)力時(shí)的姿態(tài)，最后再根據(jù)這些姿態(tài)進(jìn)行載荷計(jì)算、結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核的方法。應(yīng)力普查截面分布如圖4 所示。

圖4 應(yīng)力普查截面分布

主要參數(shù)包括：①X、Y 為截面形心的坐標(biāo)值；②B、H 為截面寬度和高度；③U 為截面與X 軸正向夾角；④TH、TL、TF 分別為上翼板、下翼板、腹板厚度。

通過以上參數(shù)可以分別計(jì)算截面面積S（用于拉壓應(yīng)力的計(jì)算）、Z 軸主慣性矩Jz（用于彎曲應(yīng)力計(jì)算）。

以斗桿截面5 為例，介紹如何用斷面法計(jì)算其正載時(shí)截面應(yīng)力（圖5）。

圖5 截面應(yīng)力

其中：Fx、Fy 為Q 點(diǎn)絞點(diǎn)力在斗桿坐標(biāo)下的X 和Y 分量。

通過截面5 形心新建坐標(biāo)系X′O′Y′，Y′方向與截面方向重合，X′方向?yàn)樯弦戆迮c下翼板角平分線方向。

將Fx，F(xiàn)y 按力的等效變換原則平移至O′處，得出Fx′、Fy′、M′。Fx′使截面產(chǎn)生拉壓應(yīng)力，F(xiàn)y′使截面產(chǎn)生剪應(yīng)力，M′使截面產(chǎn)生彎曲應(yīng)力?？紤]到工作裝置的長(zhǎng)懸臂特性，剪應(yīng)力一般數(shù)值較小，同時(shí)截面剪應(yīng)力的最大值一般位于截面中部，與彎應(yīng)力的最大值剛好錯(cuò)開，所以一般可忽略Fy′產(chǎn)生的剪應(yīng)力。最后可通過應(yīng)力的合成法則和第四強(qiáng)度理論計(jì)算等效應(yīng)力。其他截面均可在絞點(diǎn)力已知的情況下采用相同辦法計(jì)算得出。

將動(dòng)臂轉(zhuǎn)角和斗桿轉(zhuǎn)角分別劃分為N1 和N2 等份，分別計(jì)算每個(gè)姿態(tài)下動(dòng)臂、斗桿各個(gè)絞點(diǎn)的力，然后采用斷面法分別計(jì)算動(dòng)臂、斗桿各個(gè)截面的應(yīng)力值。當(dāng)所有姿態(tài)下各個(gè)截面的應(yīng)力值均計(jì)算出來后，再篩選動(dòng)臂、斗桿每個(gè)截面最大應(yīng)力值及其對(duì)應(yīng)的姿態(tài)。最后將篩選的姿態(tài)作為極限工況對(duì)動(dòng)臂、斗桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核。

3 計(jì)算程序編制

由于計(jì)算步驟多、計(jì)算量大，可以按以上設(shè)計(jì)思路將計(jì)算流程編寫成計(jì)算機(jī)程序，方便后續(xù)同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)與對(duì)比。在此采用VB 作為編程工具，同時(shí)由于在計(jì)算中要用到較多的圖形交互內(nèi)容，這里采用dxf 文件作為圖形輸入和輸出的文件。工作裝置計(jì)算程序預(yù)覽界面如圖6 所示。

圖6 計(jì)算程序預(yù)覽界面

工作裝置計(jì)算程序可以輸出整機(jī)起重能力圖表、各個(gè)姿態(tài)下的絞點(diǎn)力值、截面普查結(jié)果、各姿態(tài)下的截面應(yīng)力值等。

4 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

通過以上計(jì)算篩選出極限工況姿態(tài)，并通過特定截面應(yīng)力計(jì)算，得到部分截面的應(yīng)力值。為了解整個(gè)動(dòng)臂、斗桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，同時(shí)驗(yàn)證計(jì)算程序的正確性，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析。某機(jī)型抓料機(jī)動(dòng)臂有限元分析結(jié)果如圖7 所示。

圖7 有限元計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)抓料機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要流程的闡述，指出設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)關(guān)注的要點(diǎn)。并通過對(duì)采用截面應(yīng)力普查法對(duì)極限工況進(jìn)行查找的方法討論，很好地解決了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核中工作姿態(tài)的選用問題。同時(shí)通過將計(jì)算流程固化為專門針對(duì)抓料機(jī)工作裝置計(jì)算程序，極大提高設(shè)計(jì)效率，為后續(xù)同類產(chǎn)品開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。