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挖掘机现代设计方法在结构件强度及刚度设计中

时间:2015-12-25  责任编辑:二手挖掘机

现代设计方法已在挖掘机、推土机和装载机等工程机械的结构设计中得到了应用。本文通过进一步研究轮式装载机结构件的设计,给出了车架的现代强度及刚度设计方法。

1 现代强度及刚度设计方法

基础结构轮式装载机广泛应用于矿石、碎石及挖掘原生土、石方等作业,受载极为严重,因此,对装载机车架的强度、刚度提出了较高的要求。

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轮式装载机的车架由前车架和后车架组成。前车架是装载机的基础承载构件,是车架的主要承载体;后车架为箱形结构,受力较小。因此,这里只计算前车架的强度及刚度,其计算截面位置见图1。前车架是由薄钢板焊接而成的三维空间结构,外形较为复杂,用常规的力学方法无法对其进行精确计算。为此,笔者采用现代强度及刚度设计方法。该车架采用四板组焊的焊接工艺。车架为左右对称结构,有一纵向对称轴。其上作用有掘起力、铲进力。由结构的对称性,可取结构的一半进行强度及刚度的计算与分析。

1.2载荷计算工况

在进行车架的强度及刚度设计时,须先求得在最大载荷作用下结构件的应力与变形,以进行计算与校核。为此,应对车架可能承受的最大载荷进行分析。本次计算选用了下述3种载荷工况:

(1)扭转工况 车架上的载荷作用点离对称轴有偏距,相当于加以极限扭矩,使车架产生扭转。

(2)弯曲工况 最大载荷作用在对称轴上,沿铅垂方向产生偏载,使车架处于弯曲工况状态。

(3)弯扭联合工况 将弯曲工况和扭转工况组合在一起即为弯扭工况。车架受载最为严重的工况是弯曲工况和弯扭联合工况,与车架结构强度及刚度直接有关的亦主要是这2种工况。在车架的载荷计算工况中,车架所受的最大载荷是最大牵引力,为158kN,最大掘起力为210.9kN。

2 计算模型

2.1网格划分

根据车架结构具有对称性的特点及主要力学特性,同时为了缩小解题规模,并且使有限元分析易行及计算结果可靠,模型采用板单元,对其结构用比较均匀的有限元网格进行划分(见图2)。具体的建模方法和步骤如下:首先,模型的坐标与前车架结构设计的坐标一致,易于节点坐标天生。车架载荷的作用点、支承点,四板结构的连接点、拐点以及铰接点为模型的节点,其编号应连续,中间不得有中断,并尽量减小相邻节点的编号差;其次,单元编号以相邻节点为单元进行,单元编号应连续,不得有中断,并且四板的各总成单元编号连续,单元与单元连接编号也要连续;最后,结构上参考点的选取原则为易于在坐标系中计算单元的截面性质。

2.2约束条件

在上述3种载荷计算工况下,约束部位为车架内各铰孔及车架底部与前桥的联接部位,各铰孔内结点的z方向、y方向、x方向位移均被限制为零。底部联接部位沿纵向(z方向)位移及横向(y方向)位移为零。

3 计算与应用

SAP86、MAS等有限元分析程序功能齐全,具有较强的前后处理功能及三维图形显示能力,很适用于给出结构件的有限元分析。为此,笔者设计了前车架变参数建模程序,利用该建模程序可天生被通用有限元程序SAP86调用的模型数据文件,并对车架进行强度及刚度计算与设计。

3.1强度计算

车架的钢板材料选择40Cr,屈服极限òs=340MPa,安全系数n=2,许用应力[ó]=170MPa,计算图1所示各截面的应力大小,计算结果见表1。

有限元计算结果表明,轮式装载机车架高应力区在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ截面处,即铰孔处。由于外载荷作用在铰孔处,且易形成应力集中,所以铰孔处应力最高,强度偏低。最大应力发生在Ⅱ-Ⅱ截面处,即外侧板上铰孔处,其值为ó=136.2MPa,但仍低于材料的许用应力[ó],可见仍能满足强度条件。车架其它截面的应力值较小,因而比较安全。因此,做改进设计时可考虑将外侧板铰孔适当加强,加强措施包括增加相应的板厚或在铰孔处设置加强筋等。同时,其它部位应力较低,可以考虑采取适当措施(如减薄板的厚度),达到节省材料、减轻重量的目的。具体改进时可参考表1中给出的数据及程序输出结果。

3.2刚度计算

本文的程序输出结果给出了在3种载荷计算工况下车架各节点处的位移量,给出每个节点沿三维坐标O-xyz3个方向的线位移和面位移。

图3为车架变形图。由图3可见,车架上半部变形较大,以纵向弯曲变形为主,下半部变形较小,但有较大的刚体位移。最大变形发生在车架顶部,其值为0.9mm,其它截面的变形值见表2。车架的纵向综合变形量Δl为0.22mm,低于许用纵向变形量[Δl]=0.25mm,说明该车架的弯曲刚度较好。车架纵向综合扭转角ψ=1.02°,许用纵向综合扭转角[ψ]=1°,扭转角偏大,说明扭转刚度偏低。

综合上述应力、变形计算结果,该车架的强度、刚度值变化较小,只要做些局部加强也可满足设计要求。

4 实验测试

静态测试和动态测试是正确确定车架的应力和危险部位的重要手段,它主要是提供强度及刚度分析数据,它与现代设计方法互为补充。实验测试所用的材料选取与前面计算相同。

4.1静态测试使

用转斗液压缸加载,铲斗装置以最大牵引力切进,最大掘起力掘起。丈量图1所示车架截面的应力值,丈量结果见表1。

4.2动态测试

动态实验是指装载机在某种极限工况下工作时,测试图1所示车架各个截面的应力值。丈量结果见表1。车架各截面的应力按如下3种工况进行测试:①工作装置满载,举升机构举升工作装置到上止点,然后倾翻卸载,装载机按此方式循环工作;②铲斗上作用最大偏向载荷,装载机以最大油门开始铲掘作业;③工作装置满载,装载机以最大转向角(36°)作回转制动。

5 结论

(1)现代设计方法计算结果与静态测试、动态测试结果三者相比较,它们的变化趋势基本吻合,计算应力与静态应力、动态应力三者之间最大相差15%。计算变形与静态应力、动态变形三者之间最大相差6%,说明现代设计方法在工程机械结构件中的应用是正确可靠的。

(2)利用现代设计方法可以对初始设计方案进行强度、刚度校核,根据计算结果可得出结构件的强度及刚度是否满足要求,对结构件的设计提出改进意见,从而指导设计工作。

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