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木材裝載機是以裝卸原木為主，兼?zhèn)湟话阊b載機功能的工程機械，為適應(yīng)其工作介質(zhì)多樣和工作條件惡劣的特點，動臂采用自重輕，側(cè)向剛度好和扭轉(zhuǎn)剛度大的箱型結(jié)構(gòu)。但由于某些動臂的臂型設(shè)計和焊接工藝不夠合理，再加上隨機變化的沖擊載荷長期作用，于是在動臂后部腹板內(nèi)側(cè)靠近上蓋板的高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)低周疲勞裂紋，以致直接影響裝載機的使用壽命。為了提高動臂工作的可靠性，因此對動臂的強度分析和研究十分重要。首先我們針對原有動臂采用有限元分析，光彈性試驗和樣機實測等進(jìn)行強度分析，根據(jù)動臂應(yīng)力分布規(guī)律和大小進(jìn)行多次改進(jìn)，然后對改進(jìn)的新動臂再進(jìn)行強度分析，并驗證3種方法所得結(jié)果的一致性。其次針對箱型動臂空間對稱結(jié)構(gòu)采用處理平面問題的簡單方法進(jìn)行應(yīng)力分析，同時用實測方法預(yù)以檢驗和修正。實踐證明：這種簡化是合理的，計算精度在工程上是足夠的。
按照木材裝載機的實際工作情況，確定下列外載荷和3種分析工況。鏟斗斗底與地面夾角為3-50，這時裝載機有兩種工作情況，見圖。鏟掘工況工況鏟斗沿水平面插入料堆同時舉升動臂，鏟尖中央作用著傾翻載荷，插入力PZ和鏟斗自重。傾翻工況輪離地，在鏟尖中央作用只和遠(yuǎn)伸工況；高舉工況上述工況載荷數(shù)值見表。鏟斗沿水平面插入料堆后，動臂舉升，這時裝載機兩只后動臂水平至最遠(yuǎn)位置，鏟斗滿載，動臂受力作用。動臂舉升到最高位置，動臂受P作用；偏載工況鏟斗水平，鏟尖離地10m，傾翻力作用點偏移至距鏟斗左端0.3L(L為斗寬)處，裝載機前橋墊起，舉升動臂；當(dāng)偏載力達(dá)到極限值時，右后輪離地。動載試驗工況裝載機滿載，動臂水平，以高速和中速越過路障，前左輪連續(xù)通過兩根枕木，測定動臂的動應(yīng)力和動荷系數(shù)。超負(fù)荷鏟掘試驗工況用鏟斗以高速插入生鐵塊和碎鐵塊進(jìn)行鏟掘作業(yè)，測定動竹的動應(yīng)力。
動臂按平面問題分析，將結(jié)構(gòu)離散為計算模型時作下述處理：將兩側(cè)腹板合并成一塊平面板，并離散成三角形單元，單元厚度可以隨腹板和加強板的厚度變化而改變。上、下蓋板、腹板間加強筋和軸套離散成桿單元，桿截面隨蓋板或筋板的截面而改變。桿單元設(shè)置在兩相鄰節(jié)點之間，它與三角形單元的一個邊重合，三角形單元與桿單元用節(jié)點聯(lián)系在一起，它們的節(jié)點位移是協(xié)調(diào)的。這種混合單元的計算模型比較符合箱型結(jié)構(gòu)的實際受力情況。由有限元理論，采用位移法以矩陣形式列出三角形單元和桿單元的節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關(guān)系式。三角形單元應(yīng)力矩陣，彈性模量，桿單元長度。根據(jù)上述有限元計算過程編制了平面加筋源程序，采用ALGOL60語言，通過電算，獲得新動臂在工況的應(yīng)力和變形值。在以上諸工況中以L工況的動臂周邊應(yīng)力為最大，動臂最大拉應(yīng)力在其上緣前端，其值為最大壓應(yīng)力在其下緣中部，兩個圓弧的交界處，其值為1166kg/cm2，新動臂安全系數(shù)為2.54，它與文獻(xiàn)推薦的強度安全系數(shù)2.0-2.5相比，強度完全滿足要求，從以上諸工況的動臂變形值也可以看出，工況的節(jié)點位移為最大。
箱型動臂光彈性試驗，采用聚碳酸醋為模型材料，它的光力學(xué)靈敏度高(比環(huán)氧樹脂減出份倍)，無時間邊緣效應(yīng)，無毒。為了直接觀察在外載荷作用下整個模型的全視場的稱色級圖案，我們采用有機玻璃和聚碳酸醋模型組合的加載裝置。將油缸，連桿，鏟斗用有機玻璃作為假想件，然后按工況條件和外載荷根據(jù)相似條件直接加載，由于有機玻璃透明性好，光力學(xué)效應(yīng)靈敏度非常遲鈍，在兩者材料條紋值相差甚大的條件下長所規(guī)察到的等色線圖案沒有畸變現(xiàn)象。采用矩形截面的模型來模擬截面為箱型結(jié)構(gòu)的動臂，下面給出模型應(yīng)力轉(zhuǎn)化到動臂上原型應(yīng)力的換算公式。
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