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    雙搖臂裝載機動臂的有限元分析

    發布于:2018-06-22 18:27
    有限元分析

          裝載機是工程機械的主要機種之一,采用傳統設計方法在一定程度上存在盲目性,容易形成設計中的人為應力集中點,造成機構整體強度的削弱甚至破壞。按這種設計生產出的產品,外觀上看上去很強壯、剛性很好,但卻有內在的設計缺陷,使用過程中常因工作裝置結構強度等原因,產生開焊、甚至斷裂等損壞現象,致使工作裝置報廢,造成重大經濟損失。動臂是裝載機工作裝置的重要組成部分,起著主要的承載作用,分別與鏟斗、搖臂、拉桿、前車架相鉸接,是整個工作裝置部分的核心部件。
          ZLSOF雙搖臂裝載機的動臂一直存在強度問題,已經修改過幾次,但并未用有效的方法來進行分析。前一段時間,新改進的ZLSOF雙搖臂裝載機的動臂出現批量斷裂,針對這一情況,運用美國大型有限元分析軟件NASTRAN對該動臂進行了強度分析,并根據分析結果進行了結構改進,最終使動臂滿足了強度要求。
          斷裂時首先在破壞點處出現裂紋,然后裂紋沿著焊縫開始擴展,最終導致整個動臂斷裂。此種斷裂性質嚴重,使裝載機不能正常工作。在分析動臂時沒有將其分離出來單獨加載,而是對整個工作裝置進行了分析,只在鏟斗上加力,這樣做可以免去中間的動臂受力計算過程。與鏟斗、搖臂、拉桿、前車架及液壓缸間采用鉸接的方式來模擬,使它們之間只有1個旋轉自由度。需要注意的是2個動臂液壓缸與2個翻斗液壓缸中的壓力分別相等,在這里,用多點約束來使它們的壓力相等。整個工作裝置中動臂采用實體單元劃分,鏟斗、搖臂及拉桿均采用殼單元來模擬。整個模型共有214968個單元。該裝載機所能達到的最大牽引力為150 kN,最大掘起力為160 kN,傾翻載荷為114 kN。分析時采用比較典型的兩種工況:聯合偏載工況與地面支撐掘起工況。將動臂上鉸點、舉升液壓缸和翻斗液壓缸以鉸鏈形式固定。載荷分為水平力Fx、豎直力F,及工作裝置自重。前兩個載荷的作用點在主導板向后及距鏟斗總長的三分之一處。兩種工況下所施加的載荷大小分別為:
          聯合偏載:F=100 kN,F=114 kN;
          地面支撐掘起:F=0,F=160 kN;
          自重G由有限元軟件自動計算。
          將滿足工況的載荷和約束施加到有限元網格上,通過計算可得動臂的有限元分析結果。
          在聯合偏載工況下,動臂在破壞點處應力達到最大,密賽斯應力達到548 MPa,最大變形發生在動臂下鉸點處,為24 mm。在支撐掘起工況下應力最大達到156 MPa,最大變形為0.97 mm。
          動臂的材料為Q345,其屈服強度為345 MPa。顯而易見,在支撐掘起工況下動臂強度滿足要求,而在聯合偏載工況下則不能滿足要求,這是由于破壞點處的應力集中引起的。
          為了使動臂強度滿足要求,對動臂結構進行了適當改進。破壞點處的兩個筋板直接焊在動臂應力較大位置不合適,由于焊接缺陷會削弱動臂的強度,另一方面也會引起應力集中,因此將這兩塊筋板去掉。同時將隔板上邊緣減小,使其與動臂上邊緣具有間隙。對修改后的動臂再一次進行分析,此次分析只取聯合偏載工況,最大應力達到317 MPa,滿足了強度要求,最大變形仍為24 mm,滿足了剛度要求。
          根據以上分析結果,裝配出一臺具有新型動臂結構的ZLSOF雙搖臂裝載機。為了驗證分析過程中所建立的有限元模型和載荷模型的正確性,對具有新型動臂結構的裝載機的動臂進行了應力測試,試驗工況與分析工況相同。


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