挖掘装载机伸缩斗杆的有限元分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Fillite Element Analysis of Extendable Arm of Backhoe LoaderZHAO Xue-long，PAN Guo-bin，LIU Yin，LIU Qiao-zhen，LAN Qiang(Jiangsu Liugong Machinery Co.，Ltd，Z e ang Jiangsu 212005，China)Abstract：The 3D design model of extendable alqfl of backhoe loader is established by Pro/E software，and the design modelis put into ANSYS WORKBENCH software，then the finite element model is established.The stress of extendable arln is cal-eulated.The design of the extendable arm with result of stress calculating is improved.It makes quickly in improving。

Key words：backhoe loader；extendable arm；finite element analysis1 前 言挖掘装载机俗称两头忙”1 J，是-种多功能工程机械，挖掘装载机可配吊、叉、压、锤、系列挖掘斗、破碎锤、振动夯、四合-斗等几十种不同作业装置，以此完成更多的作业内容。在市政工程维护、道路养护方面比装载机、挖掘机有更强的环境适应性。

挖掘装载机的多功能是通过功能拈化来实现的。生产厂家在原有的整机平台上开发出可替换的新拈，用新拈替换标准拈后，实现用户在整机的某些功能方面的个性化需求。伸缩斗杆工作装置就是这样的可选配拈，配置伸缩斗杆后用户可在原有的主机平台上获得更大的挖掘半径和挖掘深度，只需花少量费用就可享受更大-号机器所具有的功能。

笔者在 伸缩 斗杆的结构设计 中采用 ANSYSWORKBENCH软件进行了有限元分析 ，在设计阶段就暴露了初始设计的-些缺陷，减少了后续改进方面的人力物力损失。

2 三维建模及模型处理在 Proe中建立如图1所示的伸缩斗杆的三维设计模型。该可伸缩斗杆装置由上斗杆、下斗杆、伸缩油缸等三个主要部件及其他必要的辅助部件组成，通过伸缩油缸的伸缩运动带动上、下斗杆的伸缩。该设计模型有许多有限元分析模型所不需要的特征，在将设计模型导入到有限元分析环境中之前需将设计模型予以预处理，以减少分析环节不必要的劳动。

螺纹孔的处理是根据螺纹孔所处的位置及重要度，将螺纹孔简化为普通孔或删除。WORKBENCH软件不能识别 Pro/E中的螺纹特征，如果不加处理直接将模型导入到 WORKBENCH中，软件会提示出错，初学者易犯这个错误。

图 1 伸缩斗杆三维设计模型倒角的处理：-般情况下，倒角特征予以删除；倒圆角的处理：在无关紧要处，删除倒圆角；在关键位置可将圆角保留；附属小部件的处理，-般情况下，三维设计模型中存在的-些分析模型用不到的附属小部件删除即可；焊缝的处理：设计模型中-般无焊缝，分析前需将焊缝补上，以消除不存在的应力集中。

3 网格划分对于小型的简单部件，组件实体模型就可继续下- 步的分析，软件会 自动给不同的零件设置连接关系。而本文所述的伸缩斗杆为比较复杂的大组件，如果直接进行后续分析，则容易产生较大误差，需将其合并为单个的实体。

将合并成单个实体的伸缩斗杆进行自动网格划分，单元格大小为 10 mm，本次所要划分的单元总数收稿日期 ：2013-03-05作者简介：赵学龙(1977-)，男，甘肃嘉峪关人，工程师，研究方向：工程机械设计。

· ·· 机械研究与应用 ·2013年第2期(第26卷，总第124期) 研究与分析为 158 421个，节点总数为 310 722个，单元类型由WORKBENCH软件自动确定，以四面体单元为主。

4 约束及载荷施加为便于约束及载荷施加的描述方便，给斗杆各个铰点予以命名，如图2所示。

图2 斗杆各铰点名称对于伸缩斗杆，将其假想为 1个简支梁，F点和p点为约束点，除 F点外其他铰点处施加载荷，如表1所列。表 1中、/”表示被约束，空格表示约束被放松。F 点和 点从二维角度是同-点，从三维角度还有横向尺寸，因而 F 点是三向约束，而 点的 z向要放松，否则过约束。

对于如何求得挖掘力，上海第二工业大学的祖英利在其论文《挖掘装载机整机挖掘力刚体动力学分析》中对整机的理论挖掘力进行了详细推导 。

表 1 支点约束表对于如何求挖掘装置的危险工况 ，柳工做了大量研究 ，并制定了相关规范，限于篇幅在此不赘述该确定过程 ，直接得 出结果。斗杆缩 回状态的危险姿态为铲斗挖掘工况(8.8，28.6，16.8)”。

斗杆伸 出状态 的危险姿态为铲斗挖 掘工 况 (-31.9，104.7，63)”。此处括号内的 3个数字代表动臂 、斗杆 、铲斗的转角 ，每组坐标可唯-确定挖掘装置的-个工作姿态。伸缩斗杆可伸缩 ，因而要分别考虑斗杆缩回状态和伸出两种情况。

由于各铰点力数值表占用较大篇幅，此处只提供斗杆缩回状态下的各点铰点力 ，如表 2所列，表中挖掘装置姿态 UcL8.8，UF28.6，UoL16.8。

表 2 斗杆缩回状态铲斗挖掘工况下斗杆的铰点力 /kg注：Px ，PY1为内侧铰点力；Pxz，PY2为外侧铰点力；尸z为 Z向力，按正负施加某侧。

5 分析结果及解读表2中的正载工况表示载荷正中作用在铲斗的斗齿上，而偏载工况表示载荷作用在铲斗的侧刃上，分析结果表明偏载工况比相应正载工况危险。限于篇幅，在此只叙述偏载工况的结果～各铰点力及约束施加到分析模型上，得到各工况的静强度分析云图，可根据此结果判断设计是否合适。

上下斗杆的材料为 Q345，它的弹性极限为 345MPa，本公司设计惯例为计算强度小于206 MPa，符合要求。

斗杆在缩回状态和给定的危险工况下，其上下斗杆上的应力强度都不是很大，从静强度分析角度来看 ，该伸缩斗杆设计可行，如图3所示。

斗杆在伸出状态和给定的危险工况下，其上下斗杆上有几处应力强度很大，上斗杆上铲斗油缸安装耳板处的焊缝处应力已达到414.64 blPa；下斗杆上靠近上斗杆末端的位置处应力已达到 305 MPa。后续必须进行设计改进，如图4所示。

- 黑 图 3 斗杆缩回状态偏载工况应力图4 斗杆伸出状态偏载工况应力(下转第 9页)· 5 ·· 杌械研究与应用 ·2013年第2期(第26卷，总第124期) 研究与分析尺寸及质量减少，强度得到提高。

表2 锁环优化候选设计点4 结 语建立了碟式分 离机转鼓锁 环的三维实体模型，在 ANSYS Workbench环境里进行了有 限元结构静力学分析 ，得到锁环应力 与变形分布云图。

根据分析结果 ，确定了优化设计变量与 目标函数，进行锁环参数优化设计，通过优化分析 ，锁环质量、最大等效应力、最大几何变形量均有所 降低。

本文分析方法及结论对分离机设计及强度优化具有借鉴价值 。

· l1.·。 l- .1. 。。lilt· 。 。IIl- 。IIII-·。.1·”III1. 。 -lilt· · I I(上接第5页)6 设计改进根据分析计算结果，对伸缩斗杆的几何形状进行多次更改并多次计算，得到了比较满意的改进后结果，如图5所示。

图 5 改进后斗杆伸出状态偏载工况应力改进后的铲斗油缸支座耳板处的最大应力从414.64 MPa下降到232.93 MPa。下斗杆侧板上部的最大应力从 305.25 MPa下降到 217.24 MPa。基本满足预定要求。