關于470型挖掘機動力學分析與結構優(yōu)化探究

曹又可 包西余

山重建機有限公司

關于470型挖掘機動力學分析與結構優(yōu)化探究

曹又可 包西余

山重建機有限公司

松土器作為挖掘機主要工作裝置之一，越來越廣泛使用。但在工程應用中，很多工況下，挖掘機松土器無法滿足工作需求。為了更好的研究松土器在工作過程中運動規(guī)律及受力特性，本文對470型挖掘機松土器進行了動力學及結構強度分析。

挖掘機；松土器；結構優(yōu)化

前言

松土器是挖掘機至關重要的組成部分，對松土器進行動力學研究有利于我們對挖掘機有更多的了解。將三維模型導入ANSYSWorkbench軟件中，添加質量屬性參數(shù)和施加約束，建立虛擬樣機的仿真模型并進行各種機械動力學分析，得出松土器各工作部件在工作過程中的受力特性及輸出載荷，為進一步的分析做好準備。同時，根據(jù)松土器工作過程中的三種不同工況，對松土器進行結構強度分析，找出松土器在工作過程中受力較大的部位。最后，根據(jù)強度分析結果對松土器進行結構優(yōu)化。

1 松土器動力學仿真分析

在進行動力學仿真時，設置挖掘機各個部件為剛體，則在分析過程中不存在變形問題，可以直接得出各個零部件在運動過程中的輸出載荷及受力狀態(tài)。

在分析過程中，首先確定各連桿，定義大臂與機架之間為固定約束，其余運動副設置為體與體之間的旋轉副，同時，定義液壓缸與液壓桿之間為移動副。并對液壓缸1和液壓缸2的移動副定義驅動函數(shù)，該函數(shù)為時間-位移函數(shù)，單位分別為s和m。

在前處理過程中，針對三種不同工況對松土器齒尖進行了載荷的施加，見表1。由于松土器懸掛端的左右為對稱布置，因此只求解一側連桿及曲柄的受力狀態(tài)即可。在后處理中，分別求解以下幾處運動副受力狀態(tài)：連桿與斗桿形成的旋轉副、連桿與松土器形成的旋轉副、連桿與曲柄形成的旋轉副及松土器與曲柄形成的旋轉副。

表1 松土器齒尖受力

圖1所示，為連桿與斗桿連接處的輸出載荷曲線，由圖可知，在松土器工作過程中，此處輸出載荷呈上升趨勢，其最大輸出載荷出現(xiàn)在強制提升工況下，最大輸出載荷為3.9072×105。

為連桿與曲柄連接處的輸出載荷曲線，由圖可知，連桿與曲柄連接處的輸出載荷大小及變化規(guī)律與連桿與斗桿連接處的輸出載荷完全相同。主要由于，在工作過程中，兩連接處屬于作用與反作用力的關系，因此，會出現(xiàn)這種情況。

(1)為曲柄與松土器連接處的輸出載荷曲線，曲柄與松土器連接處的輸出載荷整體呈上升趨勢，最大輸出載荷出現(xiàn)在強制提升工況，最大輸出載荷為1.1434×106kN。

(2)在松土器工作過程中，斗桿與松土器連接處的輸出載荷呈上升趨勢，在強制提升階段，載荷值增加較為明顯。最大輸出載荷為1.3937×106kN

綜上所述，利用ANSYSWorkbench對470型挖掘機松土器進行了動力學分析，得出了各個鉸鏈連接處的輸出載荷。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，各鉸鏈連接處的最大輸出載荷均出現(xiàn)在強制提升階段。

圖1 連桿與斗桿連接處的輸出載荷曲線

2 松土器結構強度分析

松土器在水平入土階段受力小，因此只對水平入土和強制提升工況進行強度分析，在UG中將松土器轉換為.x_t格式，導入到ANSYSWork-bench。在ANSYSWorkbench中對其進行前處理，為方便網(wǎng)格的劃分并減小計算量，對此模型進行一些簡單處理，刪除如倒角一類的小平面體。再對此模型進行網(wǎng)格劃分，定義網(wǎng)格大小為0.003m，網(wǎng)格劃分的單元格數(shù)量為101293個，節(jié)點個數(shù)為175393個。

2.1 水平勾土階段強度分析

水平勾土階段，松土器齒尖受到的水平方向的阻力為416.304kN，豎直方向的阻力為204.30kN。對齒尖前端面處施加X向的水平載荷，齒尖下端面施加Y向的豎直載荷。對其進行求解，得出應力及應變情況如下。

水平勾土階段松土器最大變形區(qū)在齒尖處，其最大變形量為1.51mm由圖11可知，最大應力點出現(xiàn)在鉸鏈連接板與松土齒連接處。最大應力值為σmax=196.46MPa。結構鋼的屈服強度σs=250MPa，取安全系數(shù)為1.2，對于松土器有：

綜上可知，松土器在水平勾土階段的安全系數(shù)為1.27，雖然略大于結構鋼的屈服強度，但與結構鋼的屈服強度非常接近。為保證松土器在工作中的需求，應加強這兩處的結構強度。

2.2 強制提升階段強度分析

強制提升階段，松土器齒尖受到的水平方向的阻力為313.49kN，豎直方向的阻力為542.986kN。對齒尖前端面處施加Y向的豎直載荷，齒尖下端面施加X向的水平載荷。對其進行求解，得出應力及應變情況如下。水平勾土階段松土器最大變形區(qū)在齒尖處，其最大變形量為4.75mm最大應力點出現(xiàn)在鉸鏈連接板與松土齒連接處。最大應力值為σmax=206.6MPa。而結構鋼的屈服強度σs為250MPa，取安全系數(shù)為1.2，對于松土器有：

綜上可知，松土器在水平勾土階段的安全系數(shù)為1.21，基本等于結構鋼的屈服強度，已無法保證松土器正常工作。因此，應加強這兩處的結構強度，以更好的滿足工作要求。

3 松土器結構優(yōu)化

根據(jù)結構強度分析，找出了松土器在工作過程中受力和變形較大的部位。為使松土器在松土過程中更有效地工作，在進行有限元分析的基礎上對松土器的結構進行優(yōu)化設計。

3.1 鉸鏈連接板結構優(yōu)化

由前節(jié)分析可知，松土器在三種工況下工作時，松土齒與底座連接處應力集中現(xiàn)象較為明顯，是容易產(chǎn)生變形和斷裂的部位。為減小應力集中，增強松土器的結構強度，增加底座厚度，由原來的60mm增加為65mm。

3.2 松土器齒尖結構優(yōu)化

在前節(jié)分析中可知，隨著松土器在松土過程中阻力的增加，松土器齒尖處的變形量逐漸增大。尤其在強制提升階段，在松土器齒尖安裝標準套的連接孔處，其應力值已超出材料的屈服極限。結構無法滿足工作強度要求，現(xiàn)對松土器松土齒進行以下幾點改進：

(a)增加松土器松土齒的內(nèi)外圓弧半徑，整體增大了松土齒的寬度，可以有效增強松土器在松土過程中的承受力。

(b)改變松土器齒尖標準連接孔的位置，增加連接孔與松土齒前端面的距離，保證連接孔與前端間的厚度滿足松土器的工作強度要求。

優(yōu)化前后結構如圖 2 所示，優(yōu)化前圓弧1半徑為1194mm，優(yōu)化后半徑為1200mm。優(yōu)化前圓弧2半徑為1053mm，優(yōu)化后圓弧2半徑1063mm。松土器齒尖標準套上安裝孔由圖a位置后移30mm，增加其與松土齒前端面的距離。對優(yōu)化后的結構，在水平勾土和強制提升工況做有限元分析計算，得到其安全系數(shù)分別提升到1.72和 1.50。改進后的結構滿足結構強度要求，驗證了結構優(yōu)化的合理性。

圖2 松土齒結構優(yōu)化

4 對470型挖掘機動力學總結分析

(1)對現(xiàn)有470型挖掘機進行動力學分析，得出松土器各鉸連接部位及工作部件在工作過程中的輸出載荷。得到了各曲柄、連桿及斗桿的受力特性。

(2)對松土器結構強度進行分析，找出了松土器在工作過程中受力及變形較大的部位。并根據(jù)分析結果對松土器結構進行了優(yōu)化，有效增強了松土器結構強度。

5 結語

綜上所述，470型挖掘機動力學分析是一項非常繁雜且重要的工作，其中涉及到多個技術領域，需要研究人員運用科學的方法進行分析，唯有如此才能真正做到挖掘機松土器的優(yōu)化。

[1]時培成，王幼民，王立濤，等.挖掘機液壓——機械復合系統(tǒng)建模與仿真研究[J].機械傳動，2007，31(3)：26－29.

[2]鄭建榮.虛擬樣機技術入門與提高[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

上接(第1 5 6頁)表明，模塊設計主要關注以下四個方面：功能分解，明確每個模塊具備的功能；結構載體，不僅表現(xiàn)在對于結構形式的選取上，還包括模塊之間連接結構的處理上；協(xié)調(diào)接口，即不同結構單元如何銜接；整合，把不同的模塊整合成一個完整的建筑。

3.2 運用價值工程，優(yōu)化結構體系的經(jīng)濟性

結構功能的適用性，如根據(jù)運動項目確定場地的最小尺度和所需要的空間高度，根據(jù)座席數(shù)和視線要求等定出建筑物的跨度、長度和高度等；結構受力的合理性，指在各種荷載的作用下，有足夠的承載能力，保證結構在設計年限內(nèi)正常使用；結構的環(huán)境效應，包括使用環(huán)保材料，節(jié)能設計，施工對環(huán)境的影響等；結構的美學效應，包括建筑造型，與環(huán)境的協(xié)調(diào)性等；可建造性，指工藝的復雜程度和構件的標準化程度等。影響結構體系的成本因素包括結構的建造成本和維護成本。通過計算不同結構體系的功能系數(shù)和成本系數(shù)，可以得出各結構體系的價值系數(shù)(=功能系數(shù)/成本系數(shù))，選擇價值系數(shù)大于1的方案。

3.4 引入專業(yè)的投資咨詢機構，保證項目的投資控制

通過調(diào)查服務區(qū)域內(nèi)的體育設施的供給和需求，明確場館的定位，區(qū)分場館的臨時空間和固定空間；參照相關技術規(guī)范，確定項目的建設規(guī)模及標準；參考同類型項目編制建設期投資估算，二次改造及拆除成本、運營期的收入及維護費用，制定合理的全壽命周期投資控制目標；動態(tài)監(jiān)管由設計變更引發(fā)的壽命周期投資變動情況，并同時將建設期投資、改造成本、運營成本變動幅度告知項目業(yè)主和設計單位；制定臨時空間資產(chǎn)處置方案及固定空間運營成本控制措施等。

總而言之，通常情況下，建筑過程中包括四個部分：建筑策劃、建筑設計、建筑施工以及建筑投入使用，經(jīng)過多年的探索和研究，建筑策劃與建筑設計之間的關系在這四個中是最為模糊的，因此很多人都無法正確的區(qū)分建筑策劃與建筑設計之間的區(qū)別和聯(lián)系，將二者混在一起。就目前而言，我國的建筑策劃與建筑設計之間的關系較為微妙，既不是包含也不是完全相離的，是相互影響相互交錯的關系，這就要求我們在以后的實際工作中必須對其實現(xiàn)進一步研究探討。

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