礦用挖掘式裝載機工作機構疲勞壽命分析

摘 要：為了確定礦用挖掘式裝載機工作機構的疲勞壽命，分析并確定了鏟斗隨機挖掘阻力的計算方法，利用Matlab模擬鏟斗的隨機挖掘阻力。采用Pro/E建立該機工作機構的三維模型，將其映射到Workbench環境中創建其有限元模型；將模擬的挖掘阻力數據導入ncode模塊，分析鏟斗、小臂和大臂的應力和疲勞壽命情況。結果表明：該機工作機構的應變量范圍在0.313×10-2 ～0.028 m之間，應力范圍集中在705～3.85×108 Pa；鏟斗與連桿的連接部位壽命最短，約7.58×106次，所得結論可為礦用挖掘式裝載機的參數設計及優化提供依據。

關鍵詞：挖掘式裝載機；疲勞；有限元；應力

中圖分類號：TD421.5+2文獻標志碼：A文章編號：1671-5276（2024）03-0037-04

Fatigue Life Analysis of Working Mechanism for Mining Backhoe Loader-bucket

Abstract：In order to figure out the fatigue life of the working mechanism of mining backhoe loader-bucket， the calculation method of the random excavating resistance of bucket was analyzed and determined， and Matlab was applied to simulate the random excavating resistance. With Pro/E， the three-dimensional model of the working mechanism was established， and its finite element model was created by Workbench. The simulated excavating resistance was imported into ncode to analyze the stress and fatigue life of the bucket， jib and boom. The results show that the variable range of the working mechanism is 0.313×10-20.028 m， and the stress range is 7053.85×108 Pa. The minimum service life is located at the connecting parts between the bucket and rod， about 7.58×106times. The research conclusion provides a basis for the parameter design and optimization of the machine.

Keywords：backhoe loader-bucket; fatigue; finite element; stress

0 引言

礦用挖掘式裝載機是礦山平巷、斜巷掘進、碎石土料采集及輸送等重要的機械設備，由于礦區作業環境惡劣，鏟斗運動過程中的角度和工作空間不斷變化以及物料賦存條件的不確定性，使得該機工作機構承受的載荷復雜多變，導致各部件出現疲勞破壞，從而降低工作效率。為此，分析礦用挖掘式裝載機工作機構的疲勞壽命很有必要。

目前，對于挖掘式裝載機疲勞壽命的研究主要分為理論計算，有限元分析、實驗研究等方法。文獻［1］基于工作裝置作業姿態、材料屬性和外載荷特性，利用熱點應力建立工作裝置疲勞壽命的評估模型。文獻［2］利用液壓挖掘機的實驗平臺以及仿真軟件，獲得該機關鍵鉸接點的應力、應變情況。文獻［3］采用試驗的方法，對裝載機的工作裝置進行結構壽命預測。文獻［4］借助SolidWorks建立裝載機鏟斗的有限元模型，分析了鏟斗的應力及疲勞壽命。文獻［5］根據設計的疲勞試驗臺，完成裝載機加速加載疲勞試驗，并對裝載機的工作裝置進行了極小子樣疲勞可靠性分析。文獻［6］基于ANSYS建立裝載機工作裝置的有限元模型，完成靜力學分析和模態分析，并對其結構參數優化。

上述方法對挖掘式裝載機疲勞可靠性的研究具有重要意義，由于工作空間不斷變化加之挖掘阻力的隨機性和復雜性，所以對于隨機挖掘阻力作用下的工作機構的疲勞可靠性分析還不多見。為此，本文通過對隨機挖掘阻力的理論計算，結合有限元分析方法，分析該挖掘機工作機構的疲勞壽命。

1 鏟斗載荷模型

圖1為工作機構的載荷模型。當鏟斗鏟取物料時，由于挖掘深度的不斷變化和物料賦存條件的不確定性，使得鏟斗挖掘阻力具有隨機性。隨機挖掘阻力是鏟斗挖掘過程中所受的最大阻力，可分解為法向挖掘阻力合力Fn、切向挖掘阻力合力Ft。

Fn、Ft可由布爾分布和瑞利分布描述［7］，有

根據上述分析，取散體煤巖最大抗壓強度4MPa，摩擦因數0.8，松散系數1.1，工作面的長和寬為3m×1.5m。相關材料參數如表1所示。

利用Matlab仿真獲得法向挖掘阻力Fn和切向挖掘阻力Ft隨時間變化曲線，如圖2所示。由圖可見，法向和切向挖掘阻力隨時間無規律的變化，具有隨機性，但法向挖掘阻力整體呈現先增加后減小的變化趨勢，法向和切向隨機挖掘阻力的峰值分別為4.96×103kN和2.57×103kN，均值分別為1.82×103kN和0.95×103 kN。

2 工作機構有限元模型

考慮到該機工作裝置結構復雜，采用Workbench建立其三維模型比較困難，為此借助Pro/E5.0建模軟件的實體造型技術，根據相關尺寸，完成該機的鏟斗、小臂、大臂、油缸以及回轉臺等各零件的建模及裝配，得到其工作機構的三維模型如圖3所示。

通過Pro/E5.0與Workbench之間的無縫連接功能，將工作機構三維模型映射到Workbench環境下，設置模型材料屬性、劃分網格［8］，單元總數60 719個，節點總數116 750個。將回轉臺軸孔處設置為固定約束，取法向和切向挖掘阻力的峰值添加載荷，完成其有限元模型如圖4所示。

3 靜力學分析

在Workbench環境下，完成工作機構的靜力學分析。由圖5的應變云圖可知，工作機構的應變量范圍在0.313×10-2～ 0.028m之間，鏟斗應變量最大，小臂其次，大臂應變量最小，由于回轉臺設置為固定約束，因此其應變量為0。圖6為應力分布云圖。由圖可見，應力范圍在705～3.85×108Pa，較大應力位于斗齒根部、油缸與大、小臂的連接部位以及小臂油缸與連桿的連接部位，后者的應力最大。這是由于連桿承擔小臂油缸推力以及鏟斗的挖掘阻力，使該處出現了較大的應力集中。

4 工作機構疲勞壽命分析

Ncode在疲勞分析設計領域有完備的功能，是目前零件疲勞分析的主流工具［9］。在Workbench環境下完成裝載機工作機構的應力分析后，將數據導入Ncode疲勞分析模塊，分析其疲勞壽命，流程如圖7所示。

根據前述挖掘阻力的計算結果，將數據轉換為txt文件，利用ASCII的轉換功能將該txt文件轉為S3T文件格式加載到ncode模塊。

圖8為礦用裝載機工作機構的疲勞壽命分析云圖。由圖可知，該機工作機構的疲勞壽命范圍為7.58×106～2.45×1011次，最小壽命位于連桿與鏟斗的連接部位，這與應力分析結果相符。由于該機完成一次挖掘（挖掘、回轉、卸料和返回）的時間為16s，按照每天8h工作制計算，連桿與鏟斗的連接部位正常工作下的疲勞壽命為（7.58×106×16）/（60×60×8×365）=11.5年，滿足實際工況需求。

5 結語

本文根據隨機過程理論計算礦用裝載機隨機挖掘阻力，以此作為載荷樣本數據結合其有限元模型，分析該機工作機構的應力、應變及疲勞壽命情況，所得結論如下：

1）工作機構的應力范圍為705～3.85×108Pa，疲勞壽命范圍為7.58×106～2.45×1011次；

2）工作機構的最小壽命位置位于連桿與鏟斗的連接部位。

該分析方法縮短了產品研發周期、優化了結構參數，具有實際工程意義。

參考文獻：

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