高效隧道施工裝載機靜力學有限元分析研究★

段鵬昌， 黃 靜， 凌 濤， 李 軍， 黃 苛， 秦 云

（1.中鐵五局集團第一工程有限責任公司， 湖南 長沙 410117；2.長沙理工大學汽車與機械工程學院， 湖南 長沙 410114；3.中鐵五局集團有限公司， 湖南 長沙 410000；4.中鐵開發投資集團有限公司， 云南 昆明 650500）

引言

隧道施工裝載機同時具有挖掘和裝載兩種功能，在各個經濟建設領域的應用都十分廣泛[1]，依靠履帶行走，驅動力大；可以全斷面裝巖，不需要人工清理工作面；同時配備有進口液壓先導控制閥，結合高效液壓閥，可以實現完美的復合操作性能，在各種惡劣條件下都能實現最佳性能。本文在現有挖掘式裝載機——ZWY80-45L 的基礎上，建立了一種高效隧道施工裝載機的簡要三維模型，分析了該隧道裝載機的結構特點以及裝載機的反鏟工作裝置的工作過程以及工作原理，并對工作裝置的鏟斗連桿機構進行了靜力學分析，得到了工作裝置鏟斗連桿機構的傳動比表達式。最后針對隧道施工裝載機工作裝置的鏟斗連桿機構的搖桿、連桿以及鏟斗進行有限元分析，得到了其應力云圖和位移云圖，對其強度和剛度進行了校核。

1 隧道施工裝載機介紹

1.1 整體結構

隧道施工裝載機由進料裝置、伸縮送料裝置、履帶行走機構、機架、液壓系統、電氣系統等部分組成。主要用于具有一定坡度巷道、隧道的稀有礦石裝載作業。其工作過程是首先利用反鏟工作裝置通過挖裝方式將物料送上伸縮送料裝置，刮板在液壓馬達的帶動下利用傳送帶將物料送上伸縮送料裝置再運送到其他運載裝置。隧道施工裝載機同時具有破碎、挖掘、裝載三種功能，縮短了物料的運載周期，提高了工作效率。本文介紹的隧道施工裝載機如圖1 所示。

圖1 隧道施工裝載機結構簡圖

該隧道施工裝載機將破碎錘和反鏟工作裝置設計為一體，通過液壓油缸控制破碎錘的伸縮，遇到體積比較大或者是質地比較堅硬的礦石塊料時，可以使用破碎錘進行破碎工作，工作完成后收起，鏟斗再進行挖裝作業。該隧道施工裝載機的伸縮裝置采用可伸縮的帶式運輸機，這種可伸縮的帶式運輸機由普通的帶式運輸機改裝而成，包括槽型上托輥、平行下托輥、皮帶、傳動滾筒、轉向滾筒和絲杠螺母伸縮裝置等[2]。

1.2 工作裝置

該隧道施工裝載機的反鏟工作裝置實際上是一組平面連桿機構[3]，工作裝置的各個構件之間都采用鉸銷相連。主要是通過液壓油缸的運動來完成挖掘式裝載機工作裝置在挖掘過程中的各種動作。反鏟工作裝置如下頁圖2 所示。

圖2 反鏟工作裝置

在隧道施工裝載機的工作裝置進行挖掘動作的過程中，工作裝置通過動臂油缸、鏟斗油缸和斗桿油缸的相互配合來完成復合運動。隧道施工裝載機工作裝置在進行挖掘作業時的過程可以概括如下：裝載機通過履帶移動至工作場所，同時整個工作裝置也向工作方向移動；動臂油缸和斗桿油缸控制斗桿和動臂向下移動，使挖掘鏟斗靠近工作平面；斗桿油缸或鏟斗油缸帶動鏟斗運動，使鏟斗完成挖掘動作；鏟斗完成挖掘動作后，動臂油缸或斗桿油缸往回運動從而帶動動臂或斗桿向上移動，同時工作裝置也移動到卸貨處；鏟斗油缸帶動鏟斗運動，鏟斗完成卸料動作，斗桿和動臂向下移動。在設備的挖掘過程中完成一個循環，并準備開始下一個循環。裝載機通過這種循環動作完成所有的工作。

2 鏟斗連桿機構靜力學分析

隧道施工裝載機工作裝置的鏟斗連桿機構如圖3 所示，主要由鏟斗油缸、連桿、搖桿以及鏟斗等組成。其中鏟斗的運動通過鏟斗油缸的伸縮來控制。

圖3 鏟斗連桿機構

在裝載機工作工程中，影響鏟斗理論挖掘力的因素主要有系統工作壓力、鏟斗油缸的工作面積以及鏟斗連桿機構的傳動比。在不考慮各部件的重力時，可以由每個鉸點力矩平衡計算鏟斗的理論挖掘力。工作裝置可以用簡圖4 來表示。

圖4 工作裝置簡圖

鏟斗連桿機構的關鍵鉸點有：G 點、A 點、B 點、C 點、D 點。在不考慮各部件自重的情況下，鏟斗的理論挖掘力：

式中：FA1為液壓缸推力；A1為鏟斗液壓缸大腔工作面積；P 為液壓系統工作壓力；i 為連桿機構傳動比。

對A 點，由力矩平衡方程可得∑MA=0

對C 點，由力矩平衡方程可得∑MC=0

式中：FW為鏟斗齒尖挖掘力，其方向與C 點和E 點之間連線L1垂直；r1為鏟斗油缸GB 對A 點的作用力臂；r2為桿BD 對A 點的作用力臂；r3為桿BD 對C 點的作用力臂；L1為C 點與E 點的連線的長度。

在△ABG 中，

在△FAG 中，

在△FAC 中，

在△ABC 中，

CB 的長度為L12

在△CBD 中，

將r1、r2、r3代入式（1），得

式中：L1為CE 的長度；L2為DE 的長度；L3為CD 的長度；L4為AC 的長度；L5為BD 的長度；L6為AB 的長度；L7為AF 的長度；L8為GB 的長度；L9為GA 的長度；L10為GF 的長度；L11為CF 的長度；L12為CB的長度；r1的值為點A 到GB 的垂直距離；r2的值為點A 點到BD 的垂直距離；r3的值為點C 到BD 的垂直距離。

3 關鍵零部件有限元分析

鏟斗連桿機構是裝載機工作裝置的重要組成部分。在挖掘式裝載機進行挖掘工作時，工作裝置會承受很大的載荷[4]。這就可能會影響到鏟斗連桿機構的使用壽命和可靠性，為了保證鏟斗連桿機構在工作裝置進行工作時能滿足一定的強度要求，對搖桿AB、連桿BD 以及鏟斗進行有限元分析[5-6]。

有限元分析是在結構力學的基礎上發展起來的一種現代化計算方法。現在市面上常見的有限元分析 軟 件 有LUSAS、Ansys、ABAQUS、MSC、FEPG 等等。這類軟件是專門進行有限元分析的軟件,具有以下特點：應用領域全面包括能源、機械、航空航天、國防工程橋梁等等；分析功能全面，可以進行靜力分析、動力分析等等；分析能力很強，分析結果收斂性較好,準確度高,認可度較高；擁有強大的二次開發平臺,支持基礎的計算機語言。另外，使用Solidworks、UG 等三維繪圖軟件也可以進行有限元分析，而且在進行零部件的有限元分析時，結果也比較準確，能滿足基本需求。本文使用三維軟件SOLIDWORKS Simulation 模塊進行對工作裝置的關鍵零部件進行有限元分析。

3.1 搖桿AB 有限元分析

建立好搖桿AB 的三維模型后，進入SOLIDWORKS Simulation 進行有限元分析。搖桿AB的主要材料是45 鋼，輸入材料后按要求固定搖桿，施加載荷，載荷在仿真軟件中可進行測量。在斗桿和動臂不運動的情況下，鏟斗進行挖掘時，搖桿A 點固定。在ADAMS 仿真軟件中測出搖桿AB 在挖掘過程中受到最大的外力是34 000 N。固定好零件和施加載荷后，對零件進行網格化，便可以開始進行運行算例了。

搖桿AB 的應力云圖如圖5 所示，由云圖可知搖桿AB 在工作裝置進行挖掘時，受到的最大應力為45.9 MPa，小于45 鋼的屈服強度355 MPa，且桿件的大部分區域為藍色，表明搖桿AB 大部分區域所受應力較小，因此滿足強度條件。

圖5 搖桿AB 應力云圖

搖桿AB 的位移云圖如圖6 所示，由圖可知，結構的最大位移為0.00851mm，表明桿件的總變形量很小。

圖6 搖桿AB 位移云圖

定義桿件材料的安全系數為1.8，桿件的安全系數圖解如圖7 所示。桿件所有部位均呈藍色，表示搖桿AB 的各個位置均滿足要求。

圖7 搖桿AB 安全系數圖解

3.2 連桿BD 有限元分析

連桿BD 的有限元分析過程于搖桿AB 的分析相似，連桿BD 的主要材料為45 鋼。固定好連桿后施加載荷，在ADAMS 仿真軟件中測出鏟斗挖掘過程中，連桿所受到的最大的外力為93 000 N。然后對桿件AB 進行網格化，然后運行算例。

連桿BD 的應力云圖如圖8 所示，由圖可以看出，連桿所受的最大應力為37.7 MPa，滿足材料的強度要求。連桿BD 的位移云圖如圖9 所示，由圖可知，結構的最大位移為0.007 81 mm，說明桿件的總變形量很小，滿足桿件的剛度條件。

圖8 連桿BD 應力云圖

圖9 連桿BD 位移云圖

此外，在結果中定義連桿BD 材料的安全系數為1.8，桿件的安全系數圖解如下頁圖10 所示。在安全系數圖解中，桿件整體呈藍色，表明在安全系數為1.8 時，桿件的各個部位均滿足條件。

圖10 連桿BD 安全系數圖解

3.3 鏟斗有限元分析

挖掘裝載機的鏟斗的材料主要是合金鋼Q345。首先對鏟斗進行固定，在施加載荷時，需要在D 點和斗齒尖處同時施加載荷。D 點處的外部載荷可在ADAMS 中測量得到，挖掘過程中最大為170 000 N。斗齒尖處的外部載荷為鏟斗理論挖掘力的反作用力，可以通過計算得到也可以在ADAMS 中測量得到。通過ADAMS 測量，鏟斗的理論挖掘力約為30000 N。再對鏟斗進行網格化，然后運行算例。

鏟斗的應力云圖如圖11 所示。由圖可知，鏟斗在挖掘過程中所受最大應力為319 MPa，且最大應力發生在斗齒尖處，小于Q345 的屈服極限345 MPa，滿足屈服強度要求。

圖11 鏟斗應力云圖

鏟斗的位移云圖如圖12 所示，由圖可知，結構的最大位移為6.97 mm，位于鏟斗的斗齒尖處。

圖12 鏟斗位移云圖

此外，定義鏟斗材料的安全系數為1.8，鏟斗的安全系數圖解如圖13 所示，鏟斗整體呈藍色，表明在安全系數為1.8 時，鏟斗的各個部位均滿足條件。

圖13 鏟斗安全系數圖解

4 結語

隧道施工裝載機在隧道掘進、礦山開采和道路施工等工程施工建設中都具有廣泛的應用，工作效率高，能夠創造出很高的社會經濟效益。本文設計介紹了一種高效隧道施工裝載機，并對其工作裝置進行了靜力學分析，得到了鏟斗連桿機構傳動比的表達式。對工作裝置鏟斗連桿機構的關鍵部件進行了有限元分析，校核了搖桿、連桿以及鏟斗的強度、剛度和安全性能。結果表明關鍵零部件在各方面性能都復合要求。