挖裝機大臂座動力學分析和疲勞壽命預測

李毅華 朱榮海 張玉寬

摘要：針對挖裝機工作裝置使用壽命難以預測的問題，采用多體動力學仿真的方法，在ADAMS中建立了挖裝機工作裝置虛擬樣機，進行動力學仿真，得到了挖裝機零部件在工作過程中的受力變化曲線。利用零部件受力曲線合成載荷譜，并以此載荷譜對挖裝機大臂座進行疲勞壽命預測。結果顯示，大臂座疲勞壽命滿足使用要求，仿真結果可以為挖裝機工作裝置的設計提供依據和參考。

Abstract： Aiming at the problem that the service life of the working device of the excavator is difficult to predict， a virtual prototype of the working device of the excavator is established in ADAMS by using the method of multi-body dynamics simulation， and the dynamic simulation is carried out to obtain the stress variation curve of the parts of the excavator during the working process.The fatigue life of the excavator boom is predicted by the load spectrum which is synthesized by the force curve of the components. The results show that the fatigue life of the big arm seat meets the service requirements， and the simulation results can provide a basis and reference for the design of the excavator's working device.

關鍵詞：挖裝機;多體動力學仿真;疲勞壽命預測

Key words： excavating machine;multi-body dynamics simulation;fatigue life prediction

中圖分類號：F416.42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0064-03

0? 引言

隨著社會生活節奏的加快，能源的需求愈加劇烈。挖裝機作為煤礦開采的主要機械之一，其重要性不言而喻。研究挖裝機工作裝置的作業過程和關鍵受力零部件的使用壽命具有重要的意義，對挖裝機的優化設計和進一步開發都十分重要[1][2]。筆者根據ZWY-180L型挖裝機的實際二維圖紙建立挖裝機工作裝置三維模型，導入到ADAMS中進行動力學分析，對挖裝機作業過程進行仿真[3]，得到關鍵受力部件大臂座各鉸接點的受力曲線，并以此對大臂座進行疲勞壽命預測。

1? 虛擬樣機的建立

1.1 三維模型的建立? ?挖裝機的工作裝置主要由扒斗、小臂、大臂、大臂座、龍門架以及驅動油缸組成[4]，如下圖1所示。駕駛員控制油缸進行配合運動即可完成各種復合扒挖物料的動作。筆者根據ZWY-180L型挖裝機實際的二維圖紙，利用solidworks對挖裝機的工作裝置進行三維建模，實體模型如圖2所示。

1.2 挖裝機工作裝置動力學仿真? 將建立好的三模模型導入ADAMS，添加合理連接副、驅動副與驅動函數。現實生活中，挖裝機扒斗在工作過程中主要受到挖掘阻力和物料重力，為了提高挖裝機工作效率，挖裝機主要采用復合動作進行扒挖物料。為了減少不必要的仿真試驗，論文筆者只對挖裝機正面扒挖物料的工況進行仿真，其他工況受力情況類似。各油缸驅動函數如表1所示，工作裝置虛擬樣機如圖3所示。

根據挖掘阻力經驗公式（1）計算挖裝機扒挖物料時的所受的挖掘阻力[5]-[6]。

式中：？滓w為土壤挖掘比阻力;bh為扒斗的切削寬度，即挖斗寬度;h為切削層的厚度;？漬為挖掘的阻力系數。其中？滓w=47N/cm2;切削寬度bh二維圖紙可得bh=30cm;切削層厚度h=（0.1～0.33）bh，由于扒礦時扒斗深入礦層的厚度不大，取h=0.2bh=6cm;？漬=42%。代入公式可得：

切向阻力：Ft=？滓wbhh=8460N;

法向阻力：Fn=？漬Ft=3553.2N。

物料重力公式：G=V？籽g

V—斗容;？籽—物料密度;g—重力加速度。？籽=1.8×10kg/m3，V=0.15m3。代入公式可得：G=V？籽g=17200N。

將上述計算結果以函數的形式添加到挖斗斗齒和鏟斗質心上，進行工作裝置作業過程動力學仿真，函數如表2所示。

2? 疲勞壽命分析

大臂座作為挖裝機工作裝置中主要受力部件，起著連接大臂和龍門架的作用，其使用壽命的長短至關重要。

2.1 大臂座載荷譜

在大臂座各鉸接點進行測量，可以獲得大臂座各鉸接點受力曲線，大臂座結構如圖4所示，由于動力學仿真只分析正面扒挖物料的工況（其他工況類似），所以鉸接點3不受力，鉸接點4、5靜力學分析時固定支撐不用考慮，只分析鉸接點1、2受力，受力曲線如圖5所示。

2.2 疲勞壽命預測和結果分析

依據上述載荷譜和模型使用ANSYS nCode DesignLife進行壽命計算。由于大臂座主要失效形式為疲勞斷裂，故使用線性疲勞累積損傷理論進行計算應力疲勞壽命。首先使用ANSYS Workbench進行靜力學分析，然后將有限元分析結果導入nCode SN TimeSeries（DesignLife）進行應力疲勞壽命分析，壽命評估系統如圖6所示，壽命云圖如圖7所示，疲勞計算結果部分如表3所示。

由圖7可知大臂座鉸接孔焊接處壽命最小，由表3可知大臂座最小循環次數為2.342e+07次，按照一天工作8小時，一年工作365天計算，大臂座可工作24.5年，完全滿足使用要求。

3? 結語

通過對挖裝機工作裝置的動力學分析和疲勞壽命計算，得到了挖裝機大臂座的受力曲線和疲勞壽命，從仿真結果和疲勞壽命計算結果可以看出，大臂座結構合理，疲勞壽命滿足使用要求，仿真結果也可以為挖裝機工作裝置的設計提供依據和參考。

參考文獻：

[1]劉恩民，程洪飛，李剛，張印東.挖裝機在三軟煤層掘進中的應用[J].煤炭技術，2020，39（07）：155-156.

[2]何洋，周松雨，覃創業.基于ANSYS/Workbench挖裝機工作機構模態分析[J].煤礦機械，2019，40（01）：172-174.

[3]王鵬飛，張靜，刁修慧.基于ADAMS的挖掘機鏟斗機構的優化設計[J].煤礦機械，2016，37（01）：175-177.

[4]魏蒼棟.ZWY-160/55型挖裝機總體設計研究[D].河北科技大學，2014.

[5]史青錄.液壓挖掘機[M].北京：機械工業出版社，2011.

[6]孔德文，趙克利，許寧生，等.液壓挖掘機[M].北京：化學工業出版社，2007.