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有限責任公司，陜西神木719319）

0 引言

大型液壓挖掘機主要用于各種大規模露天礦山的開采、煤炭和尾礦等物料的鏟裝及大型基礎建設，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境和工作條件都比較惡劣，工作頻率高，容易造成設備疲勞破壞［3］。挖掘機鏟斗是組成挖掘機的關鍵部件，也是工作最頻繁的部件之一，對其進行強度和應力分析就顯得非常重要。通過應用ANSYS Workbench軟件，對鏟斗進行有限元計算分析，為結構設計和安全可靠性分析提供可靠的參考依據。

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，由于鏟斗結構較為復雜，并且根據其結構特點和工作特性，在其力學性能不變的情況下，對鏟斗建模可以進行適當簡化，比如對于某些構件的倒角和圓角可以忽略或將圓角簡化為直角，去除鏟斗里面的部分輔助構件等等［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

當挖掘機以鏟斗挖掘方式對土壤進行挖掘時，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生最大挖掘阻力［4-5］。根據某型號的大型反鏟液壓挖掘機的具體數據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。設置鏟斗材料為結構鋼，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。經自動劃分網格后點擊Solve后進行有限元仿真分析。

圖3 添加載荷和約束

4 仿真結果分析

經過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、應變和應力等情況。其結果如圖4～圖6所示。

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

5 結論

1）由仿真結果可以得到鏟斗在挖掘過程中鉸接孔處會受到最大應力并且產生最大的應變，因此挖掘機在工作過程中要對鉸接孔進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的分析和認識十分必要［6］。根據鏟斗的應力分布情況，在最大應力處進行強化設計，對受力較小處可以適當降低材料強度，能夠實現材料的有效利用，保證鏟斗強度的同時節省成本。

圖4 總變形圖

圖6 等效應力圖

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

［2］ 彭白水.國內外超大型液壓挖掘機展望［J］.建設機械技術與管理，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］ 張衛國.液壓挖掘機工作裝置動力學仿真分析及研究［D］.太原：太原理工大學，2010.

［5］ 楊揚.液壓挖掘機工作裝置動力學分析與控制系統研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，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.