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液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的主要產(chǎn)品之一，具有較高的技術(shù)含量，它被廣泛應(yīng)用于礦山開采、道路施工、國防建設(shè)、農(nóng)用水利等基本建設(shè)之中。鏟斗是挖掘機(jī)工作裝置(鏟斗、斗桿、動臂)3大部件之一，是主要承載件。在挖掘過程中，鏟斗直接承受很大外力，鏟斗與礦巖的接觸滑移，造成鏟斗激烈的磨損。作業(yè)環(huán)境的狀況也對鏟斗的強(qiáng)度和變形在一定程度上造成很大影響。因此，鏟斗結(jié)構(gòu)性能的好壞對挖掘機(jī)工作的影響非常重要。目前，在國內(nèi)液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中，對斗桿和動臂的應(yīng)力分布進(jìn)行分析較多，而對鏟斗的應(yīng)力分布規(guī)律研究得較少。下面結(jié)合挖掘機(jī)的實(shí)際作業(yè)工況，對挖掘機(jī)鏟斗在受力最大的典型工況下挖掘時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度分析和變形分析，為挖掘機(jī)鏟斗設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
1、強(qiáng)度分析模型的建立
1.1、分析方案及條件
利用有限元進(jìn)行強(qiáng)度分析的過程是：前處理，建立幾何模型，將幾何模型理想化，施加材料參數(shù)和載荷約束條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分；通過軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算；后處理，將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示，也可將結(jié)果以圖、表、曲線形式顯示或輸出。使用Pro/MECHANICA模塊，可以將幾何模型轉(zhuǎn)換成有限元模型進(jìn)行分析求解，并以圖形方式顯示分析結(jié)果。
首先，在Pro/E模塊中對鏟斗進(jìn)行三維造型，其次以鏟斗受力最大的工況，計(jì)算出有限元強(qiáng)度分析的載荷數(shù)據(jù)，最后應(yīng)用Pro/MECHANICA模塊對鏟斗進(jìn)行強(qiáng)度分析。
1.2、有限元分析模型的建立
根據(jù)已知的尺寸數(shù)據(jù)，在Pro/E中進(jìn)行挖掘機(jī)的鏟斗三維實(shí)體造型，為方便劃分網(wǎng)格，在對結(jié)果不產(chǎn)生影響的情況下，對結(jié)構(gòu)和模型進(jìn)行簡化，得到分析所用的實(shí)體模型。
1.3、材料條件的確定
挖掘機(jī)鏟斗兩側(cè)板采用的材料是20CrMnMo，其它部分所采用的是16Mn。采用20CrMnMo。主要是為了耐磨和抗疲勞，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可知，危險(xiǎn)位置不在側(cè)壁，因此分析時(shí)整體采用16Mn，20CrMnMo的各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于16Mn，所以這樣不但不影響分析結(jié)果，還簡化了分析過程。
1.4、載荷計(jì)算
對挖掘機(jī)鏟斗進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，分析采用的工況必須是有限元模型受力最大的危險(xiǎn)工況。根據(jù)挖掘機(jī)的連接情況，使用Pro/MECH A NICA MOTION模塊對其進(jìn)行動力學(xué)分析，利用Pro/MECHANICA MOTION模塊的運(yùn)動仿真功能，模擬鏟斗的運(yùn)動情況，求出了鏟斗受力最大的工況。鏟斗的受力主要是挖掘力、鏟斗內(nèi)土的重力和鏟斗自身的重力。鏟斗的挖掘力可以采用Pro/MECHANICA MOTION的運(yùn)動分析模塊，對鏟斗進(jìn)行動力學(xué)分析，計(jì)算出各個(gè)狀態(tài)下的鏟斗挖掘力的受力情況，并輸出鏟斗受力圖表。分析發(fā)現(xiàn)，鏟斗受力最大發(fā)生在動臂處在最低位置，動臂缸全縮斗桿缸作用力最大。用鏟斗油缸進(jìn)行挖掘時(shí)，斗齒尖、斗齒尖與斗桿交點(diǎn)和斗桿與動臂交點(diǎn)三點(diǎn)成一直線，斗桿油缸與斗桿尾部之問的夾角為90°，鏟斗的具體受力數(shù)值為：水平受力為83074.6 N，豎直受力為49656.6 N，重力為9039.27 N。
1.5、加載荷和確定約束條件
根據(jù)Pro/MECHANICA模塊分析可知，以挖掘機(jī)鏟斗最大受力狀態(tài)作為強(qiáng)度分析工況，即假設(shè)鏟斗的4個(gè)銷孔固定。挖掘機(jī)鏟斗主要承受的力是挖掘力水平分力與豎直分力的合力、側(cè)向力和重力，側(cè)向水平挖掘力側(cè)向力影響不大，在這里忽略不計(jì)。對鏟斗施加的約束和載荷，建立鏟斗的有限元分析模型。
2、有限元強(qiáng)度分析結(jié)果
完成了有限元分析的一系列前處理工作(準(zhǔn)備模型、添加載荷、指定邊界條件、劃分網(wǎng)格、編輯網(wǎng)格屬性、優(yōu)化設(shè)置)之后進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行有限元計(jì)算分析，繪制出鏟斗強(qiáng)度分析的應(yīng)力云圖。
從強(qiáng)度校核計(jì)算可知，鏟斗具有足夠的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。鏟斗的變形很小，最大位移量為5.788 mm。總的來說，斗體前部斗齒、斗后壁耳板的根部、鉸接處和補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域受到的應(yīng)力較大，但都低于許用應(yīng)力，其它部位所受應(yīng)力較小，大部分都低于100 MPa。
3、結(jié)果分析
(1)斗后壁的加強(qiáng)筋板是增加鏟斗剛度和提高鏟斗強(qiáng)度的關(guān)鍵，它不但可以大大降低斗后壁應(yīng)力，而且可以化解應(yīng)力集中，極大地提高了鏟斗抗偏載、抗超載的能力。
(2)斗體前部的斗唇部件和兩側(cè)的加強(qiáng)筋板對改善鏟斗的挖掘性能和提高斗體的強(qiáng)度都起到了不可替代的作用。
(3)鏟斗后壁耳板比其它部位的鋼板厚，從而提高了鉸接部位抗交變復(fù)雜應(yīng)力和磨損的能力。
(4)作業(yè)設(shè)備主體在挖掘過程中具有柔性，可以緩解力的作用，設(shè)備實(shí)際更偏于安全。
有限元分析的主要工作是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和分析運(yùn)算結(jié)果，建立正確的有限元分析模型(幾何模型、材料參數(shù)、邊界條件和載荷條件)才能運(yùn)算出正確的結(jié)果，根據(jù)對運(yùn)算結(jié)果的分析，不斷發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的問題，以此為依據(jù)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，為以后挖掘機(jī)設(shè)計(jì)和開發(fā)提供依據(jù)。
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