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地下鏟運機是專門為地下作業(yè)設計的一種矮車身、中央鉸接前端裝載的鏟裝、運輸、卸載聯(lián)合作業(yè)設備。我國地下礦山使用鏟運機始于1975年，20世紀70年代末開始自行研制地下鏟運機。我國自行研制地下鏟運機不僅為礦山節(jié)約了大量開支，同時也促進了我國礦山無軌設備的發(fā)展。但與國外鏟運機相比，國產(chǎn)地下鏟運機還存在許多問題，其中產(chǎn)品結構上存在的問題更為突出。近年來隨著計算機技術的高速發(fā)展，有限元分析法已在裝載機結構分析中得到了一定程度的應用，但是還僅限于分析某個部件或者部分結構的強度，而在地下鏟運機結構強度分析中的應用還很少。本課題以鏟運機為例對鏟運機整機進行了強度有限元分析及實驗研究。
ANSYS提供了一種多點約束(MPC)方法，來模擬裝配特征。圖顯示了一個具有裝配特征的設計模型和使用多點約束法來模擬裝配關系的有限元模型。抽象的中央節(jié)點被連接到裝配面上的一系列節(jié)點上，裝配關系由多點約束(MPC)的約束方程來描述。構件間的鉸接關系由ANSYS的canbin7單元來模擬。此單元是3維銷(或旋轉)連接單元，由節(jié)點i，j和一個方向節(jié)點k組成，也可以增加兩個隨意控制節(jié)點l和m，如圖所示。液壓油缸可以理想化成一個二力桿，可以選用beam4單元來模擬。單元的橫截面面積和楊氏模量由相應的油缸在中間位置的軸向剛度決定。選用beam4單元，不僅力的方向與單元的方向一致，同時還可以反映壓力釋放值的影響，且能傳遞扭矩。圖是用beam4單元模擬液壓油缸的示意圖。一般在正常作業(yè)過程中，鏟取物料時鏟運機的行走系和承載構件受力最大。此時，力學模型如圖所示，前、后輪約束X和Z兩個方向的位移。鏟運機整機車架主要由工作裝置、前車架和后車架3大部分組成，3部分都是鋼板組焊件，在鉸接處通過鉸銷連接在一起。在建立有限元模型時，忽略了前后車架擋泥板及駕駛室。將前、后橋用梁單元模擬，輪胎用彈性單元模擬。15個鉸接關系由canbin7單元模擬，裝配關系使用內(nèi)部多點約束(MPC)方法模擬，整機有限元模型如圖所示，共18780個節(jié)點，83932個自由度。
靜態(tài)加載測試是在機器靜止狀態(tài)下，根據(jù)其作業(yè)時可能出現(xiàn)的載荷，在鏟斗上加載，測量該載荷下根據(jù)鏟運機所受的實際工作載荷情況，靜載試驗采用在鏟斗尖上加載的方法(載荷加在鏟斗中央)，選擇了鏟運機工作過程中可能出現(xiàn)的水平和垂直兩種載荷形式。地下鏟運機最大牽引力可達1041，最大鏟取力為6C91，實驗中最大水平載荷加到1001，垂直載荷加到551，對水平和垂直兩種載荷均分10次逐級加載，記錄每個載荷下的測點應力。任意選取4個測點(測點的位置如圖所示)，比較實驗測得的應力值和有限元計算的應力值，如圖所示，發(fā)現(xiàn)水平載荷和垂直載荷作用下，隨著載荷的增加應力值在不斷增大，有限元計算值和實驗值增長趨勢吻合，且有限元計算值基本上大于實驗值，說明有限元模型的剛度大于實際車體的剛度。此結果表明，鏟運機整機有限元模型的建模方法是正確的。
使用所建整機有限元模型，對鏟斗插入堆料水平和垂直載荷聯(lián)合作業(yè)、后輪離地和前輪離地3種使用所建整機有限元模型，對鏟斗插入堆料水平和垂直載荷聯(lián)合作業(yè)、后輪離地和前輪離地3種牽引工況進行有限元計算，得到3種工況下整機結構的等效應力和變形，分別見圖從等效應力圖可見，鏟斗插入料堆水平和垂直載荷聯(lián)合作業(yè)工況和后輪離地牽引工況整機等效應力分布基本相同，工作裝置和前車架受力較大，前者的最大等效應力出現(xiàn)在左側前橋鉸接板處，應力值為167MPa如圖所示，后輪離地牽引工況最大等效應力出現(xiàn)在動臂鉸座板的鉸孔處，最大等效應力高達375MPG。前輪離地牽引工況，后車架受力明顯增大，最大應力出現(xiàn)在連接擺動架的前支承板與右側板焊接處，應力值為392MPa。在3種工況下，動臂、前后車架上下鉸接板及翻斗油缸鉸座板受力都很大，實際作業(yè)過程中這些部位也是易破壞的薄弱部位。動臂的下部分比上部分受力嚴重，建議適當?shù)睾附蛹訌姲�。同時，動臂側板與橫梁焊接的根部(測點1處)存在幾何非線性情況，應力值非線性變化。前車架除橋安裝板及動臂鉸座板的應力較大外，其整體的強度和剛度都是滿足要求的，因此在前車架的設計中應考慮應力集中的因素。前后車架的鉸接板也是高應力區(qū)，但從有限元計算結果和試驗結果來看，強度仍是足夠的。前輪離地牽引工況下，后車架在連接擺動架的前支承板與右側板焊接處出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，建議加強此處的焊接質量。后車架尾部在3種工況下應力均很小。
(1)提出鉸銷、油缸、輪胎及邊界條件的模擬方法，建立了鏟運機整機的有限元模型。彌補了結構件分開計算時，邊界條件及載荷難以確定的不足，使得分析的結果更為準確。(2)有限元計算值和實驗值增長趨勢吻合，表明鏟運機整機有限元模型的建模方法是正確的。實驗值大部分小于有限元計算值，說明整機模型剛度大于實際車體剛度。(3)在鏟斗插入料堆正常作業(yè)的牽引工況下，鏟運機車架的最大等效應力為167MP，滿足強度要求。后輪離地和前輪離地的牽引工況是極限工況，兩種工況下最大等效應力分別為375MPa，392MPa是危險工況。
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