裝載機動臂的應力分析

劉穎莉，文學洙

（延邊大學 機械工程學科，吉林 延吉 133002）

0 引言

輪式裝載機是一種作業效率高且廣泛運用的工程機械，它能對散裝物料進行鏟裝、搬運、卸載、平整等作業，也能對硬土、巖石進行輕度鏟掘工作［1］。動臂是裝載機工作裝置的主要的結構部件，是鏟斗和搖臂重要的結構支撐件［2］。它的強度狀況對裝載機工作裝置的性能及壽命有著非常重要的影響。為了更好地了解裝載機動臂的應力分布情況，本文對有筋板的動臂和無筋板的動臂進行了應力分析。

1 工況的選擇

1）因為物料種類和作業條件等不同，裝載機在實際工作時，鏟斗不可能受均布載荷，但為了計算方便簡化成以下兩種極端情況：（1）沿切削刃均勻分布的載荷，以作用在鏟斗切削刃中部的集中載荷來代替其均布載荷，稱其為對稱受載；（2）在切削刃上受到的非均布載荷，以作用在鏟斗側邊的第一斗齒上的集中載荷來代替，稱其為偏載［3］。

2）裝載機的鏟掘過程通常可分如下三種受力情況：

（1）鏟斗水平插入料堆，且工作裝置的各個油缸閉鎖，此時只受水平作用力。

（2）鏟斗水平插入料堆以后，翻轉鏟斗或提升動臂進行鏟掘時，只受垂直作用力。

（3）鏟斗邊插入邊翻轉鏟斗或邊插入邊提升動臂鏟掘時，同時受水平作用力與垂直作用力。

綜上所述，動臂有6 種典型工況，分別是水平對稱工況、水平偏載工況、垂直對稱工況、垂直偏載工況、水平垂直對稱同時作用工況（簡稱正載工況）、水平垂直偏載同時作用工況（簡稱偏載工況）。其中偏載工況下受力最大，因此本文以偏載工況為例，對裝載機動臂進行應力分析。

2 動臂三維模型的創建

雖然ANSYS 有其自建模功能，但建模功能有限。而Pro/E 是一款很簡便的三維繪圖軟件，其功能簡單，思路清晰，因此本文利用Pro/E，根據裝載機實際尺寸創建了動臂三維模型，其模型如圖1 所示。

圖1 裝載機動臂模型

將模型導入到ANSYS 中，因為動臂模型結構相對簡單，因此采用中間數據格式，即將Pro/E 中的模型保存為IGES 格式，再將模型導入到ANSYS 中。

3 裝載機動臂有限元分析前處理

1）單元類型。動臂是由動臂板、橫梁、耳板、筋板等焊接而成的，本文采用SOLID95 實體單元作為分析的單元類型。動臂的材料為16Mn，密度為7.8×103kg/m3，彈性模量為2.07E11Pa，泊松比為0.3，屈服極限是343 MPa。

2）劃分網格。網格的劃分方法主要有自由網格劃分，映射網格劃分，拖拉、掃掠網格劃分及混合網格劃分。本文選擇自由網格劃分。

3）施加位移約束及載荷。

（1）定義動臂分析類型。在此工況下，假設動臂為靜力分析模型。

（2）約束條件的確定。動臂與機架、動臂與動臂油缸等的連接均為鉸連接，是可以相對轉動的，但此種情況下，需要進行多次柱坐標系的創建及轉換，容易出錯。為了簡化計算，對動臂與機架、動臂油缸連接處所有的自由度均進行約束［4］。具體操作方法是選取鉸接處的內孔面，進行全約束。

（3）載荷條件的確定。物料對動臂的作用力是通過鏟斗處的銷軸傳遞的，銷軸與孔之間的接觸應力分布比較復雜，與物料種類、接觸方式及配合公差等諸多因素有關，為了簡化計算，假設動臂孔處所受的力為集中力［3］。即將所受外載荷以集中力直接定義到內孔表面上。具體操作方法是在內孔中心處創建一個節點，并將其與對應內孔表面上的各個節點用link8 單元連接，形成輪輻式連接，然后直接在內孔中心節點處施加集中載荷。同時由于裝載機動臂自重較大，不能忽略。

4 裝載機動臂有限元分析后處理

進行仿真分析，得到裝載機動臂應力分布圖如圖2所示。

由圖2（a）、圖2（b）可知，裝載機在此工況下，動臂板上的應力分布情況基本一致，最大應力均位于動臂與動臂油缸鉸接處，無筋板動臂的最大應力為308 MPa，有筋板動臂的最大應力為317 MPa，均小于屈服極限，符合設計要求。由圖2（c）、圖2（d）可知，在耳板鉸接處，有筋板動臂的應力分布區域比無筋板動臂的應力分布區域小。由圖2（e）、圖2（f）可知，在偏載一側和耳板之間的橫梁部分，應力分布區域是有筋板的比無筋板的小。其余部分基本一致。

5 結語

1）在偏載工況下，筋板對裝載機動臂的動臂板的應力分布影響不大，最大應力集中點在動臂與動臂油缸鉸接處；

圖2 動臂應力分布圖

2）在偏載工況下，筋板對裝載機動臂的耳板及橫梁的應力分布有一定的影響，減小了應力分布區域；

3）在偏載工況下，筋板的加入使動臂的最大應力有所增加，但是增加幅度較小，而且它改善了動臂耳板及橫梁的應力集中現象。

［1］周華祥，黃磊.裝載機工作裝置參數化3D 建模及有限元分析［D］.太原：太原科技大學，2009.

［2］周華祥，黃磊.裝載機動臂的有限元分析及改進［J］.黃石理工學院學報，2010，5（26）：12-13.

［3］王曉寧.裝載機工作裝置動臂框架工作狀態的力學分析［D］.濟南：山東大學，2008.

［4］楊占敏，王智明，張春秋，等.輪式裝載機［M］.北京：化學工業出版社，2005.