井下鏟運機動臂有限元分析

史蕾蕾

【摘 要】利用Pro/E軟件建立井下鏟運機動臂的三維模型， 以ANSYS Workbench為基本工具，實現了井下鏟運機動臂的有限元分析。通過有限元計算，得到動臂在插入工況、舉升工況、卸載工況下的應力分布情況。結果表明材料特性滿足設計強度要求。證明采用的有限元分析方法可行，可將該法應用于實際的井下鏟運機動臂設計中。

【關鍵詞】井下鏟運機；動臂；ANSYS Workbench；有限元分析

【Abstract】Using Pro/E software to build 3 D model of the swing of underground LHD，then the swing through the finite element analysis with ANSYS Workbench as the basic tools.The stress distribution conditions of swing under the insert condition，lifting and unloading conditions is obtained by finite element calculation.The result shows that the strength of the material properties meet the design requirements.It proves that the finite element analysis method is available so the method can be applied to the actual swing design.

【Key words】Underground LHD；Swing；ANSYS Workbench；Finite element analysis

0 引言

動臂是井下鏟運機的關鍵部件，在裝載、運輸和卸載等各個過程中，都承受主要載荷。因此保證鏟運機有足夠的可靠性和壽命，動臂必須要有足夠的剛度和強度，使動臂的重要部位在使用期內不可出現嚴重的變形、裂紋[1]。

近年來，有限元法在汽車碰撞、應力分析、疲勞分析等方面的應用越來越廣泛，而且精度很高，大大縮短了汽車的研發周期。本文利用ANSYS Workbench用有限元法對井下鏟運機的動臂進行應力分析，得到動臂結構的應力和位移，為井下鏟運機動臂設計提供了理論依據，具有較高的的理論意義與應用價值[2]。

1 車架有限元模型

在Pro/E中建立動臂的三維模型，為了便于分析，在不影響計算結果的前提下，對結構中較小的圓角、倒角、小孔等作了忽略處理[3]，并且將各部件之間的焊接定義為等強度焊接。然后將三維模型導入到ANSYS Workbench中。

在ANSYS Workbench中，對動臂進行網格劃分。在劃分的過程中要保證每一個殼單元的頂點也是其相鄰單元的頂點[5]，劃分網格后生成17541個單元，37760 個節點。劃分網格后的WJ井下鏟運機動臂如圖1所示，材料性能參數如表1所示。

2 動臂有限元分析

鏟運車動臂所承受的載荷比較簡單，將動臂簡化為剛體結構，忽略重力作用，主要液壓油缸所傳遞的力以及支撐鏟斗所需要的力。

2.1 插入工況

施加載荷和邊界約束后，經理分析可知，動臂與舉升液壓缸連接的銷座處以及左右側板的彎曲部分應力較大，最大應力出現在右銷座處，為38.6MPa，安全系數取為2，則材料的應力極限為77.2MPa，遠小于材料的的屈服強度為345MPa，所以在插入工況下滿足強度要求。

2.2 運輸工況

地下鏟運車的運輸工況即是當地下鏟運機的鏟斗裝滿鐵礦石后，動臂在舉升液壓缸的作用下抬起，將鏟斗舉至運輸位置即當鏟斗斗底離地的高度不小于鏟運機所允許的最小離地間隙。

施加載荷和邊界約束后，靜力分析得到，在左右側板的中間部分、動臂的固定塊與動臂殼體的接觸處應力比較大。最大應力在動臂固定塊處，最大應力為156.6MPa，取安全系數為2，則材料的極限應力為313.2MPa，小于動臂材料Q345的屈服強度極限是345MPa，滿足強度要求。另外，運輸工況一般處于地下鏟運機的工作過程中，考慮到路況的不同，動臂的受力情況可能會更加復雜，所以屬于危險工況。

2.3 卸載工況

地下鏟運機的卸載工況，此時液壓油缸舉升動臂使鏟斗至卸載位置，翻轉鏟斗，當鏟斗中的鐵礦石卸完后就會放下動臂，在動臂的作用下使鏟斗恢復運輸位置。此時，液壓舉升油缸全伸，鏟斗處于垂直工作地面向下的位置。

施加載荷和邊界約束后，靜力分析可知，動臂的頂板前端，兩側板的彎曲處以及動臂的頂板中部位置應力較大。其中最大應力出現在靠近右銷座的右加強板處，最大應力為157.4MPa，取安全系數為2，則材料的屈服極限為314.8MPa。已經接近材料的屈服強度345MPa，因此符合強度要求。

3 結論

（1）建立地下鏟運機動臂的有限元模型，對插入工況、運輸工況、卸載工況進行了動臂的有限元分析。

（2）在插入工況情況下，動臂所受到的應力沒有達到材料的屈服極限，屬于安全工況；運輸工況和下載工況下動臂應力的最大值已經很逼近材料的屈服極限，屬危險工況。驗證了其有限元分析的可靠性，為動臂的設計提供了理論基礎。

【參考文獻】

[1]蔣美華，蘇俊剛，陳欣，周少良.液壓挖掘機斗桿有限元靜力分析[J].工程機械，2012，43（5）.

[2]王創民.WK-10型挖掘機斗桿有限元強度分析.機械工程與自動化，2008，12（6）.

[3]蒲廣義.ANSYS Workbench基礎教程與實例講解（第二版）[M].中國水利出版社，2013，1.

[4]陸爽，孫明禮，丁金福.ANSYS Workbench13.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2012，6.

[責任編輯：湯靜]