挖掘机现代设计方法在结构件强度及刚度设计中

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。

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。