裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計有限元分析

摘 要：在煤礦巷道施工機(jī)械領(lǐng)域采用液壓扒斗式裝載機(jī)技術(shù)，可以加快施工速度、降低工人的勞動強(qiáng)度，而且在巷道、隧道、水電涵洞等施工方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本文采用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法對新型液壓裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計研究，以期能研制出滿足煤礦需求的產(chǎn)品，提高巷道施工掘進(jìn)的機(jī)械化程度。本文研究重點為工作機(jī)構(gòu)有限元分析。

關(guān)鍵詞：工作機(jī)構(gòu) 運動分析 有限元析

中圖分類號：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（a）-0070-02

1 研究背景

隨著新技術(shù)不斷出現(xiàn)，自20世紀(jì)末期以來，煤礦采掘技術(shù)與裝備迅速發(fā)展并得以推廣。先進(jìn)采煤國家積極應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)電一體化和礦井生產(chǎn)過程自動化控制及自動化技術(shù)，研制開發(fā)了高生產(chǎn)能力、高性能的開采技術(shù)裝備，還廣泛應(yīng)用新技術(shù)實現(xiàn)了礦井的高產(chǎn)高效和集約化生產(chǎn)。

從總體上看我國的煤礦建井技術(shù)已進(jìn)入先進(jìn)國家行列。其中，井巷施工中，斜井、立井施工的機(jī)械化配套施工工藝和凍結(jié)、注漿等各類特殊鑿井技術(shù)均達(dá)到世界先進(jìn)水平，基本具備了在國際市場競爭的能力，唯獨巷道施工尤其是巖巷施工在機(jī)械化水平、施工工藝、施工速度上都明顯落后于采煤技術(shù)先進(jìn)國家[1]。

目前，機(jī)掘法和鉆爆法是巖巷掘進(jìn)的兩種主要工藝[2]。機(jī)掘法就是使用全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道開拓的方法，可以經(jīng)濟(jì)切割普氏系數(shù)低于f7的巷道巖石。鉆爆法是先在工作面鉆出炮眼，在炮眼內(nèi)裝入炸藥進(jìn)行爆破，實現(xiàn)破巖的一種方法[3]。發(fā)達(dá)國家采用機(jī)掘法進(jìn)行巖石巷道施工的數(shù)量在掘進(jìn)中所占比例較高，可以達(dá)到30%～40%。但由于受技術(shù)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)因素的制約，鉆爆法將仍是我國煤礦巖巷掘進(jìn)的主要方法[4]。

本課題研究的目的：本論文在前人大量研究工作的基礎(chǔ)上，提出了在煤礦巷道和隧道掘進(jìn)中發(fā)展以扒斗式裝載機(jī)和全液壓鉆車相配套的巖巷機(jī)械化作業(yè)線的必要性。并在新式巖巷施工設(shè)備—扒斗式裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)設(shè)計中，引入了三維設(shè)計方式和有限元分析方式，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計的模式，使設(shè)計更加直觀可靠，可以對其進(jìn)行運動學(xué)分析、強(qiáng)度分析、模態(tài)分析和干涉檢驗。這為產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)及后續(xù)工作奠定了必要的理論基礎(chǔ)。

2 研究現(xiàn)狀分析

自20世紀(jì)90年代以來，國外裝載機(jī)進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期，在廣泛應(yīng)用新技術(shù)的同時，不斷涌現(xiàn)出新結(jié)構(gòu)和新產(chǎn)品。繼完成提高整機(jī)可靠性任務(wù)之后，技術(shù)發(fā)展的重點在于增加產(chǎn)品的電、液技術(shù)含量，努力完善產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，向節(jié)能、環(huán)保及可視化操縱方向發(fā)展[5]。通過對傳統(tǒng)的操縱與控制結(jié)構(gòu)的數(shù)字化改造，既實現(xiàn)了精確的鏟裝作業(yè)，又大大改善了駕駛?cè)藛T的工作條件，極大地提高了作業(yè)效率?！巴ㄟ^產(chǎn)品的更新?lián)Q代，不斷提高產(chǎn)品的技術(shù)水平和科技含量”是國外裝載機(jī)生產(chǎn)廠商始終不渝的追求。

我國通過引進(jìn)不斷更新的先進(jìn)裝備和技術(shù)，大力推廣機(jī)械化配套，已在生產(chǎn)中形成了多條的機(jī)械化作業(yè)線。目前巖巷掘進(jìn)施工機(jī)械化主要有4種配套方式，即側(cè)卸裝巖機(jī)配全液壓鉆車、耙斗裝巖機(jī)配氣腿鑿巖機(jī)、側(cè)卸裝巖機(jī)配耙斗裝巖機(jī)、側(cè)卸裝巖機(jī)配皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)[6]。

掘進(jìn)斷面小于或等于12 m2巖石巷道，采用多臺鑿巖機(jī)鉆孔，耙斗裝巖，電動車拖拽礦車運輸出矸石。掘進(jìn)斷面大于12 m2巖石巷道，采用多臺鑿巖鉆車鉆孔，耙斗裝巖或側(cè)卸式裝巖機(jī)裝巖石，電動車拖拽礦車運輸出矸石[7]。這是比較常見的配套形式。

3 動臂的有限元分析

動臂是扒斗式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件之一，是進(jìn)行扒料、推拉工作的承力部件，它的結(jié)構(gòu)對工作機(jī)構(gòu)裝載性能的發(fā)揮有重要影響，因而對其結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析就顯得至關(guān)重要。

3.1 動臂有限元分析

建模時要注意網(wǎng)格劃分。

（1）網(wǎng)格數(shù)量。

又稱絕對網(wǎng)格密度，它通過網(wǎng)格尺寸來控制。在有限元分析中，網(wǎng)格數(shù)量的多少主要影響以下兩個方面：①計算精度網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度一般會隨之提高。這是因為：網(wǎng)格邊界越多，就能夠更好地迫近實體結(jié)構(gòu)中實際的曲線邊界或曲面邊界；也就保證單元位移函數(shù)更好的逼近實際結(jié)構(gòu)中的實際位移分布；在應(yīng)力梯度較大的部位，能夠更好地反映應(yīng)力值的變化。但是也需要提醒的是：網(wǎng)格數(shù)量太多時，計算的累積誤差反而會降低計算精度。②計算規(guī)模網(wǎng)格數(shù)量增加，將主要增加以下幾個方面的時間：單元形成時間；求解方程時間；網(wǎng)格劃分時間。

（2）網(wǎng)格疏密。

網(wǎng)格疏密是指結(jié)構(gòu)不同部位采用不同大小的網(wǎng)格，又稱相對網(wǎng)格密度，它通過在不同位置設(shè)置不同的網(wǎng)格尺寸來控制。在實際結(jié)構(gòu)中應(yīng)力場很少有均勻變化的，絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)或多或少的存在不同程度的應(yīng)力集中。為了反映應(yīng)力場的局部特性和準(zhǔn)確計算最大應(yīng)力值，應(yīng)力集中區(qū)域就應(yīng)采用較多的網(wǎng)格，而對于其他的非應(yīng)力集中區(qū)域，為了減少網(wǎng)格數(shù)量，則采用較稀疏的網(wǎng)格。

（3）單元階次。

結(jié)構(gòu)單元都具有低階和高階形式，采用高階單元就是為了提高有限元計算精度，其可利用高階單元的高次位移函數(shù)以求得更逼近結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的位移分布。但是一般高階單元會存在相對較多的節(jié)點，使用時也應(yīng)注意計算精度和模型規(guī)模兩個因素的考慮，一定要處理好單元階次和節(jié)點數(shù)量的關(guān)系。

（4）網(wǎng)格質(zhì)量。

這指網(wǎng)格劃分幾何形狀的合理性。網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞將真正影響到計算結(jié)果的精度，網(wǎng)格劃分不理想必將中止有限元計算過程的運行。

（1）建模階段。

創(chuàng)建有限元模型，用于進(jìn)行參數(shù)定義、實體建模和網(wǎng)格劃分。動臂采用整體式箱型方案，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕。其主體框架由左側(cè)板、右側(cè)板、上板、下板、前傾板、立板焊接而成。左右側(cè)板厚度16 mm的16 Mn鋼板。動臂與轉(zhuǎn)臺、斗桿、動臂油缸聯(lián)接的軸座采用ZG350-500材料鑄造而成，軸座與箱形框架焊接形成動臂。在框架的不同位置焊有六塊厚度10 mm加強(qiáng)筋板。在建立有限元模型時，由于一些小構(gòu)件對整體剛度影響很小，如焊接上的限位板、吊耳等，均予以忽略。

在本模型中使用實體單元類型分網(wǎng)[8]。分網(wǎng)后共劃分13682個單元，節(jié)點數(shù)量36824。分網(wǎng)結(jié)果如圖1所示。

各焊接件采用16Mn鋼板，該材料具有良好的韌性、焊接性能及冷加工性，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，在分析時定義16Mn鋼板相關(guān)材料屬性如下：抗拉強(qiáng)度510～660 MPa，許用應(yīng)力345 MPa，泊松比為0.3，彈性模量2.06×105 MPa，密度7800 kg/m3。（如圖1圖2）

（2）有限元計算階段。

另外，由實際工況和以上分析可知扒斗工作機(jī)構(gòu)工況Ⅰ時，動臂結(jié)合動作時，動臂的作業(yè)環(huán)境最為惡劣，因而本文僅就該過程進(jìn)行分析，其他工況可采用相同的方法進(jìn)行。對動臂加載如圖2所示。

（3）后處理階段。

后處理階段的目的就是對計算輸出的結(jié)果進(jìn)行必要的處理，并按要求的方式輸出結(jié)果并顯示出來，結(jié)果可以是變形圖和應(yīng)力圖等形式。這樣就有利于使用者對結(jié)構(gòu)性能的好壞或設(shè)計的合理性進(jìn)行評估，并根據(jù)結(jié)果及時作出相應(yīng)的改進(jìn)或?qū)υO(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。

用上述有限元模型，在ANSYS軟件中加邊界條件和載荷后進(jìn)行計算。結(jié)果表明：在工況Ⅰ情況下，動臂的最大應(yīng)力為198.09 MPa，在動臂與支座鉸接孔部位，應(yīng)力的大小滿足設(shè)計要求。說明該工作機(jī)構(gòu)的動臂設(shè)計基本滿足強(qiáng)度要求。應(yīng)力較大的部位在動臂與支座鉸接孔附近，此處受力情況較復(fù)雜。且該區(qū)域也是焊接的熱影響區(qū)。所以對靠近鉸接孔的部位應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，可提高該動臂的整體工作性能。

分析可知，通過輸出文件可觀測到結(jié)點的應(yīng)力、應(yīng)變、位移云圖和數(shù)據(jù)列表。動臂與支座的鉸接處應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，此外連接孔座處應(yīng)力較大。

3.2 動臂模態(tài)分析

用模態(tài)分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性的研究一種近代方法，它是系統(tǒng)辨別方法在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性。而每一個模態(tài)具有的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型這些模態(tài)參數(shù)可以由實際計算或試驗分析取得。而這樣一個實際計算或試驗分析過程被稱為模態(tài)分析過程。我們采用有限元計算的方法取得的模態(tài)分析，被稱為計算模態(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗?zāi)B(tài)分析。模態(tài)分析的經(jīng)典定義：將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的自振頻率（也叫固有頻率）和振型。ANSYS可以對包含預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法了解結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，研究人員就可能預(yù)見到該結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備的故障診斷的重要方法之一。

ANSYS提供了七種模態(tài)提取的方法：QR阻尼法、PowerDynamic方法、縮減法、非對稱方法、分塊Lanczos方法、阻尼法和子空間法，其QR阻尼法和阻尼法均應(yīng)考慮機(jī)構(gòu)的阻尼效應(yīng)。

3.3 分析結(jié)果并提出改進(jìn)措施

在利用有限元分析法求解后，對結(jié)果的分析是評價產(chǎn)品、總結(jié)結(jié)論、提出建議、指導(dǎo)產(chǎn)品優(yōu)化結(jié)構(gòu)、改進(jìn)性能的最終目的。

模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用作用：（1）可對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行評價。（2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障的診斷及預(yù)報。（3）對新產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計。（4）其能夠識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的載荷。

本分析中可知，動臂支座鉸接孔強(qiáng)度數(shù)值大原因主要因為軸座是整個動臂與平臺的聯(lián)接部件，是整個動臂作業(yè)的支撐點，工作機(jī)構(gòu)每次工作都會受到較大荷載。另外該區(qū)域又是焊接的熱影響區(qū)，是集中力作用處，容易發(fā)生破壞。支撐座是動臂油缸的上鉸點，且它與斗桿油缸聯(lián)接座相距不遠(yuǎn)，是動臂上結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的地方。另外各聯(lián)接部位也是應(yīng)力較大的地方，在設(shè)計時應(yīng)該引起注意。

本工況下，動臂的最大應(yīng)力為198.09 MPa，在動臂與支座鉸接孔部位，應(yīng)力的大小滿足設(shè)計要求。在各階模態(tài)分析中可以看出發(fā)生扭振的最大變形位置通常出現(xiàn)在左右側(cè)板、動臂油缸連接板等剛度相對較小處，需要增加其局部剛度。

通過上述分析結(jié)果，需要對如下部分進(jìn)行改進(jìn)：采用各鉸接孔處焊接厚襯板、加厚左右側(cè)板、加長襯套等方式進(jìn)行加固。油缸座支撐襯板要加焊加強(qiáng)板或用較厚的板代替；增強(qiáng)動臂側(cè)板的箱型封閉性，在前傾板處加焊連接板。

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