大型挖掘機(jī)銷軸力傳感器結(jié)構(gòu)有限元仿真分析*

梁艷彬，萬一品，周宇杰，劉 旋，賈 潔

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

0 引 言

大型挖掘機(jī)在環(huán)境惡劣、作業(yè)狀況復(fù)雜時(shí)對關(guān)鍵部件的可靠性要求較高[1-2]。銷軸受力始終受到業(yè)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，郭承志等設(shè)計(jì)了一種用于工程機(jī)械銷軸載荷譜測試的簡便銷軸傳感器，并對銷軸傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)[3]。姜萬錄等設(shè)計(jì)了用于間接測量挖掘阻力的銷軸傳感器[4]。萬一品等提出了采用兩種載荷制取方法進(jìn)行多種作業(yè)工況下的載荷驗(yàn)證和鐵礦粉物料下的載荷測試試驗(yàn)[5]。由此可見，大型挖掘機(jī)銷軸力傳感器的結(jié)構(gòu)是否合理、強(qiáng)度是否滿足作業(yè)需求是測試鏟斗和斗桿連接處受力大小所需考慮的重點(diǎn)。

但是大多數(shù)學(xué)者未提及對于銷軸力傳感器前期結(jié)構(gòu)合理性的分析，所以筆者著重進(jìn)行三種典型工況下銷軸力傳感器的仿真分析，通過前期仿真分析說明其結(jié)構(gòu)是否合理、強(qiáng)度是否滿足作業(yè)需求。

1 銷軸力傳感器模型

銷軸力傳感器安裝在大型挖掘機(jī)斗桿和鏟斗連接處，銷軸力傳感器分左、右兩個(gè)，目的是為了在測量出正載和側(cè)載的基礎(chǔ)上能直觀地反應(yīng)出偏載的變化。為了增加抗彎能力，方便連接線的安裝以及減重，將銷軸傳感器設(shè)計(jì)成一個(gè)中空結(jié)構(gòu)。根據(jù)挖掘機(jī)斗桿和鏟斗連接處原銷軸結(jié)構(gòu)推算，結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)中挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，獲得銷軸力傳感器結(jié)構(gòu)尺寸。在SolidWorks中建立銷軸力傳感器結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 銷軸力傳感器三維模型

2 挖掘機(jī)三種典型工況分析

選擇挖掘機(jī)三種典型工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算出挖掘阻力大小以及銷軸力傳感器受到的載荷大小。

(1) 典型工況1

啟動(dòng)挖掘機(jī)，收縮動(dòng)臂油缸達(dá)到其極限高度，此時(shí)動(dòng)臂重心處于其最低位置，斗桿油缸產(chǎn)生最大力臂，動(dòng)臂和斗桿的連接點(diǎn)O2、鏟斗齒尖點(diǎn)L、鏟斗和斗桿的連接點(diǎn)O3三點(diǎn)處于一條直線O2LO3上，如圖2所示。此工況下，最大挖掘力主要受限于動(dòng)臂油缸閉鎖能力。

圖2 典型工況1下整機(jī)最大挖掘力分析 圖3 典型工況2下整機(jī)最大挖掘力分析

在挖掘機(jī)動(dòng)臂油缸處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，動(dòng)臂油缸的抗拉能力和其有桿腔閉鎖壓力F1成一定的線性關(guān)系。令挖掘機(jī)工作裝置為隔離體，對動(dòng)臂上一點(diǎn)O1列力矩平衡方程，求解典型工況1下最大挖掘阻力FW1，如式(1)所示：

(1)

式中：RO1W1表示挖掘機(jī)動(dòng)臂油缸對O1點(diǎn)產(chǎn)生的力臂大小；RO1Gi表示重心Gi與O1點(diǎn)的水平距離。

(2) 典型工況2

啟動(dòng)挖掘機(jī)，首先收縮挖掘機(jī)動(dòng)臂油缸，使動(dòng)臂油缸的重心處于最低位置。其次拉伸挖掘機(jī)斗桿油缸和鏟斗油缸，使動(dòng)臂和斗桿的連接點(diǎn)O2、斗桿和鏟斗的連接點(diǎn)O3的連線O2O3與平面XOZ垂直，如圖3所示。此工況下，最大挖掘力主要受限于斗桿油缸閉鎖能力。

在挖掘機(jī)斗桿油缸處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，斗桿油缸的抗壓能力與其無桿腔的閉鎖壓力F2有一定的線性關(guān)系。令挖掘機(jī)斗桿、鏟斗、連桿和搖臂為隔離體，對動(dòng)臂和斗桿的連接點(diǎn)O2列力矩平衡方程，根據(jù)平衡方程解出斗桿油缸閉鎖時(shí)的最大挖掘阻力FW2，如式(2)所示：

(2)

式中：RO2W2表示挖掘機(jī)動(dòng)臂油缸對O2點(diǎn)產(chǎn)生的力臂大小；RO2Gi表示重心Gi與O2點(diǎn)的水平距離。

(3) 典型工況3

啟動(dòng)挖掘機(jī)，保持機(jī)身穩(wěn)定，動(dòng)臂油缸和斗桿油缸同時(shí)作用，使兩油缸的作用力臂均處于最大位置，伸縮挖掘機(jī)鏟斗油缸使鏟斗處于最大挖掘力位置，如圖4所示。此工況下，最大挖掘力受限于挖掘機(jī)鏟斗能發(fā)揮的主動(dòng)能力。

圖4 典型工況3下整機(jī)最大挖掘力分析

在挖掘機(jī)鏟斗能力發(fā)揮主動(dòng)能力時(shí)，若不考慮鏟斗、鏟斗中剩余物料以及其他部件自重的影響，挖掘機(jī)鏟斗的理論挖掘力FW3′計(jì)算公式如式(3)所示，但實(shí)際挖掘作業(yè)時(shí)，這些因素確實(shí)存在，所以實(shí)際挖掘阻力與其有較大偏差。如果考慮這些因素，把鏟斗和連桿作為隔離體，對斗桿和鏟斗的連接點(diǎn)O3列力矩平衡方程，根據(jù)平衡方程解出實(shí)際工況3下的最大挖掘阻力FW3，如式(4)所示：

(3)

(4)

式中：n是鏟斗連桿機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比；r1、r2、r3、r4分別表示鏟斗油缸對鉸點(diǎn)H產(chǎn)生的力臂、連桿IK對鉸點(diǎn)H和鉸點(diǎn)O3產(chǎn)生的力臂、鏟斗挖掘力FW3′對鉸點(diǎn)O3作用力臂；RO3G3、RO3G7、RO3G8分別表示鏟斗整體(包括鏟斗中的物料和其他部件)、搖臂、連桿的重心與鏟斗和斗桿的連接點(diǎn)O3的水平距離。

對以上三種典型工況進(jìn)行簡單分析可知，每種工況下最大挖掘阻力是不一樣的。挖掘機(jī)作業(yè)對象不同時(shí)，對計(jì)算出的最大挖掘阻力影響也是不一樣的。但是在一定誤差范圍內(nèi)，均可認(rèn)為以上最大挖掘阻力計(jì)算公式是可以被采納的。現(xiàn)在單獨(dú)取鏟斗作為隔離體，對鏟斗進(jìn)行系列受力分析，如圖5所示。對X，Y方向上分別取力平衡方程有：

圖5 挖掘機(jī)鏟斗受力分析

(5)

銷軸傳感器徑向方向上最大受力FO3：

(6)

3 有限元仿真及結(jié)果分析

根據(jù)挖掘機(jī)整機(jī)重量及尺寸等參數(shù)求各載荷大小，如表1。銷軸力傳感器材料為Q345，彈性模量206 GPa，泊松比0.3。

表1 不同工況斗桿和鏟斗鉸接點(diǎn)作用力大小 /kN

使用有限元分析軟件Workbench對銷軸力傳感器進(jìn)行0.1 mm的自由網(wǎng)格劃分，銷軸力傳感器主體結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)絡(luò)模型如圖6所示，共有76 679個(gè)節(jié)點(diǎn)，51 818個(gè)單元。由應(yīng)力云圖可以得到三種工況下銷軸力傳感器的應(yīng)力分布狀況，如表2所列。

圖6 銷軸力傳感器網(wǎng)格劃分結(jié)果

表2 三種典型工況下銷軸力傳感器應(yīng)力狀況表

在銷軸力傳感器徑向力受力段施加載荷，支撐段添加位置約束，各典型工況下應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 典型工況下銷軸力傳感器有限元分析結(jié)果

通過應(yīng)力分布可以看出銷軸力傳感器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，并且三種典型工況下應(yīng)力大小均低于銷軸力傳感器本身材料屈服極限。

4 結(jié) 語

文中以挖掘機(jī)工作裝置部分為研究對象，在三種典型工況下分析計(jì)算理論挖掘力大小，并取鏟斗為隔離體計(jì)算銷軸力傳感器受力段所受理論載荷大小，通過有限元軟件得到大型挖掘機(jī)銷軸力傳感器的應(yīng)力分布規(guī)律。根據(jù)分析結(jié)果可知，在三種典型工況下銷軸力傳感器均能滿足使用需求，為銷軸力傳感器實(shí)際加工生產(chǎn)和測試應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。