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  小型挖掘机工作装置力学分析


  引言


  小型挖掘机工作装置是挖掘机完成挖掘动作的主要部件,是直接与各类被挖掘土壤接触的部分,是传递力的原件。工作装置的稳定性和使用寿命成为衡量小型挖掘机实用性、经济性和安全性的重要指标。而在结构强度方面,小型挖掘机工作装置是所有结构中最易出现使用寿命短、裂纹、应力集中或是过载现象的部分。通过对已有的某型号小型挖掘机工作装置结构进行力学分析,有助于及时发现产品在设计中存在的缺陷,并通过数据分析,为小型挖掘机工作装置的优化设计提供必要的数据依据和理论基础。
小型挖掘机工作装置力学分析

  1小型挖掘机的力学参数和材料属性


  1.1小型挖掘机工作装置力学参数


  液压缸是小型挖掘机完成挖掘动作的主要动力,直接决定在挖掘过程中能达到的最大挖掘力值[4]。本文所研究挖掘机三个动力油缸的基本工作参数如表1所示,其额定工作压力均为28MPa,在极限试验条件下,能承受41MPa的短暂过载压力。


  在液压缸处于额定工作压力状态下,斗杆挖掘和铲斗挖掘两种工作方式中,其在铲斗处能获得的挖掘力分别为39.1KN和51KN,1.2材料特性


  小型挖掘机工作装置的主要材质是16Mn,新牌号为Q345,为低合金钢(C<0.2%),材料屈服强度为345Mpa,综合力学性能良好,低温性能亦可,塑性和焊接性良好,用做中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件,热轧或正火状态使用,可用于-40℃以上的各种结构。

小型挖掘机工作装置力学分析
  2小型挖掘机工作装置关键部件力学分析


  通过对小型挖掘机工作装置的建模、装配、焊接、分析,确定了小型挖掘机工作装置的工作方式、挖掘力和液压缸参数、使用的材料性能,即可对工作装置进行力学分析。通过对比铲斗挖掘状态和斗杆挖掘状态的极限工况,发现斗杆挖掘产生最大挖掘力时小型挖掘机工作装置的姿态和铲斗挖掘极限工作情况下的工作姿态一样。


  将斗杆挖掘的极限挖掘状态与之进行对比,发现斗杆挖掘的力学参数中,在铲齿尖产生的挖掘力(39.1KN)小于


  铲斗挖掘的最大挖掘力(51KN),在受力平衡条件下,可以得知在斗杆挖掘情况下铲斗、连杆和摇杆受到的力小于在铲斗挖掘状态下它们的受力,所以,在斗杆挖掘状态下的高级仿真不再对铲斗、连杆、摇杆进行有限元分析,主要该状态下的斗杆和动臂。


  2.1铲斗力学分析


  铲斗在铲斗挖掘的极限工况下的受力大于斗杆挖掘的极限工况下的受力,故铲斗的有限元分析以铲斗挖掘作为工况进行分析。


  (1)约束。是在极限工作状态下工作装置的受力情况。故在极限受力情况时,小型挖掘机工作装置处于静止或是铲斗匀速转动,即:工作装置处于平衡状态,在本文中,假设铲斗在挖掘过程遇到坚硬土壤,处于静止状态,所以取铲斗的四个销轴孔添加销钉约束。


  (2)小型挖掘机铲斗的载荷分析。在铲斗挖掘过程中,铲斗受到连杆对它的推力和齿尖上的阻力,在极限工况下,齿尖受到的阻力为 51KN,连杆对它的推力为 168.34KN。


  (3)建立有限元模型。铲斗是挖掘机工作装置中直接与被挖掘物接触完成挖掘的部件,其结构较为复杂,既要保证强度,又要保证在挖掘过程中尽量减少接触面积,从而减小挖掘阻力,因此,铲斗上的加强板和加强筋较多。为了计算方便,减少计算机工作量,在建立有限元模型之前应进行模型的理想化,去掉影响受力小的倒角、小孔等。网格类型:3D 四面体,网格大小为 10,单元和单元节点总数:289597;
小型挖掘机工作装置力学分析

  小型挖掘机网格配对条件:粘连重合;


  约束:销钉约束,约束添加在铲斗上,斗杆与铲斗铰接点和铲斗与铲斗液压缸铰接点;


  载荷:矢量力,均匀在分布如图 4-5 的五个铲齿的齿尖上,载荷大小:51KN;方向:齿尖圆弧中点指向圆弧圆心。


  (4)小型挖掘机有限元分析前处理易出现的问题。由于铲斗结构比较复杂,不规则零件较多,装配约束上线面结构较多,在模拟装配中出现小缝隙的装配图形,给有限元分析的前处理带来许多不便:网格曲率阀值的网格过多,会造成求解结果不准确;电脑内存不能满足求解要求,等等。


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