基于ANSYS Workbench的某大型反鏟液壓挖掘機鏟斗有限元分析

張超

（陜西神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西神木719319）

0 引言

大型液壓挖掘機主要用于各種大規(guī)模露天礦山的開采、煤炭和尾礦等物料的鏟裝及大型基礎(chǔ)建設(shè)，同時還被用于填海造地工程及港灣河道疏通工程［1-2］。由于工程機械工作環(huán)境和工作條件都比較惡劣，工作頻率高，容易造成設(shè)備疲勞破壞［3］。挖掘機鏟斗是組成挖掘機的關(guān)鍵部件，也是工作最頻繁的部件之一，對其進(jìn)行強度和應(yīng)力分析就顯得非常重要。通過應(yīng)用ANSYS Workbench軟件，對鏟斗進(jìn)行有限元計算分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全可靠性分析提供可靠的參考依據(jù)。

1 鏟斗三維模型的建立

利用Pro/E軟件建立鏟斗的三維虛擬模型，由于鏟斗結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點和工作特性，在其力學(xué)性能不變的情況下，對鏟斗建模可以進(jìn)行適當(dāng)簡化，比如對于某些構(gòu)件的倒角和圓角可以忽略或?qū)A角簡化為直角，去除鏟斗里面的部分輔助構(gòu)件等等［2］。建立的鏟斗三維模型如圖1所示。

圖1 鏟斗三維模型

2 挖掘阻力分析

當(dāng)挖掘機以鏟斗挖掘方式對土壤進(jìn)行挖掘時，土壤切削阻力隨著挖掘深度的變化而改變，切削阻力與挖掘深度基本上是成正比，即隨著挖掘深度的增加挖掘機切削阻力隨之增大。而在挖掘至最深時將產(chǎn)生最大挖掘阻力［4-5］。根據(jù)某型號的大型反鏟液壓挖掘機的具體數(shù)據(jù)計算得到切削阻力的最大切向分力Ftmax=2 257.55 kN，最大法向分力Fnmax=677.3 kN。鏟斗受力情況如圖2所示。

圖2 鏟斗所受挖掘阻力

3 鏟斗有限元分析

在ANSYS Workbench的Static Structure模塊里面打開鏟斗的三維模型。設(shè)置鏟斗材料為結(jié)構(gòu)鋼，并對鏟斗添加約束和載荷，如圖3所示。其中A為最大切向分力2257.55 kN，B為最大法向分力677.3 kN，C的鉸接處為固定約束。經(jīng)自動劃分網(wǎng)格后點擊Solve后進(jìn)行有限元仿真分析。

圖3 添加載荷和約束

4 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過ANSYS Workbench的仿真計算之后得到了鏟斗在受到最大挖掘阻力時的變形、應(yīng)變和應(yīng)力等情況。其結(jié)果如圖4～圖6所示。

由總變形圖可以看出鏟斗在角齒處產(chǎn)生了最大變形8.893 3 mm，由等效應(yīng)變圖和等效應(yīng)力圖可以看出鏟斗在鉸接孔處產(chǎn)生了最大應(yīng)變0.001 261 25和最大應(yīng)力245.3 MPa。

5 結(jié)論

1）由仿真結(jié)果可以得到鏟斗在挖掘過程中鉸接孔處會受到最大應(yīng)力并且產(chǎn)生最大的應(yīng)變，因此挖掘機在工作過程中要對鉸接孔進(jìn)行實時的檢測與維護，以保證其在工作中不受破壞。

2）大型挖掘機的鏟斗強度和變形對于挖掘機的工作性能影響很大，加強對鏟斗工作時的受力狀態(tài)的分析和認(rèn)識十分必要［6］。根據(jù)鏟斗的應(yīng)力分布情況，在最大應(yīng)力處進(jìn)行強化設(shè)計，對受力較小處可以適當(dāng)降低材料強度，能夠?qū)崿F(xiàn)材料的有效利用，保證鏟斗強度的同時節(jié)省成本。

圖4 總變形圖

圖6 等效應(yīng)力圖

［1］ 馬鵬飛，田奇.超大型液壓挖掘機的發(fā)展與進(jìn)步［J］.建筑機械，2000（3）：21-22.

［2］ 彭白水.國內(nèi)外超大型液壓挖掘機展望［J］.建設(shè)機械技術(shù)與管理，2008（9）：37-41.

［3］ 張倩，單忠德，鄒愛玲，等.基于ANSYS Workbench的裝載機鏟斗有限元分析［J］.起重運輸機械，2013（12）：71-75.

［4］ 張衛(wèi)國.液壓挖掘機工作裝置動力學(xué)仿真分析及研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2010.

［5］ 楊揚.液壓挖掘機工作裝置動力學(xué)分析與控制系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

［6］ 張重繼.基于ANSYS的裝載機鏟斗受力分析［J］.煤礦機械，2014，35（11）：130-131.