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地下鏟運(yùn)機(jī)是專門為地下作業(yè)設(shè)計(jì)的一種矮車身、中央鉸接前端裝載的鏟裝、運(yùn)輸、卸載聯(lián)合作業(yè)設(shè)備。我國(guó)地下礦山使用鏟運(yùn)機(jī)始于1975年，20世紀(jì)70年代末開始自行研制地下鏟運(yùn)機(jī)。我國(guó)自行研制地下鏟運(yùn)機(jī)不僅為礦山節(jié)約了大量開支，同時(shí)也促進(jìn)了我國(guó)礦山無(wú)軌設(shè)備的發(fā)展。但與國(guó)外鏟運(yùn)機(jī)相比，國(guó)產(chǎn)地下鏟運(yùn)機(jī)還存在許多問題，其中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上存在的問題更為突出。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，有限元分析法已在裝載機(jī)結(jié)構(gòu)分析中得到了一定程度的應(yīng)用，但是還僅限于分析某個(gè)部件或者部分結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，而在地下鏟運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中的應(yīng)用還很少。本課題以鏟運(yùn)機(jī)為例對(duì)鏟運(yùn)機(jī)整機(jī)進(jìn)行了強(qiáng)度有限元分析及實(shí)驗(yàn)研究。
ANSYS提供了一種多點(diǎn)約束(MPC)方法，來(lái)模擬裝配特征。圖顯示了一個(gè)具有裝配特征的設(shè)計(jì)模型和使用多點(diǎn)約束法來(lái)模擬裝配關(guān)系的有限元模型。抽象的中央節(jié)點(diǎn)被連接到裝配面上的一系列節(jié)點(diǎn)上，裝配關(guān)系由多點(diǎn)約束(MPC)的約束方程來(lái)描述。構(gòu)件間的鉸接關(guān)系由ANSYS的canbin7單元來(lái)模擬。此單元是3維銷(或旋轉(zhuǎn))連接單元，由節(jié)點(diǎn)i，j和一個(gè)方向節(jié)點(diǎn)k組成，也可以增加兩個(gè)隨意控制節(jié)點(diǎn)l和m，如圖所示。液壓油缸可以理想化成一個(gè)二力桿，可以選用beam4單元來(lái)模擬。單元的橫截面面積和楊氏模量由相應(yīng)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(shí)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(shí)鏟運(yùn)機(jī)的行走系和承載構(gòu)件受力最大。此時(shí)，力學(xué)模型如圖所示，前、后輪約束X和Z兩個(gè)方向的位移。鏟運(yùn)機(jī)整機(jī)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(shí)，忽略了前后車架擋泥板及駕駛室。將前、后橋用梁?jiǎn)卧M，輪胎用彈性單元模擬。15個(gè)鉸接關(guān)系由canbin7單元模擬，裝配關(guān)系使用內(nèi)部多點(diǎn)約束(MPC)方法模擬，整機(jī)有限元模型如圖所示，共18780個(gè)節(jié)點(diǎn)，83932個(gè)自由度。
靜態(tài)加載測(cè)試是在機(jī)器靜止?fàn)顟B(tài)下，根據(jù)其作業(yè)時(shí)可能出現(xiàn)的載荷，在鏟斗上加載，測(cè)量該載荷下根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)所受的實(shí)際工作載荷情況，靜載試驗(yàn)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(yùn)機(jī)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(yùn)機(jī)最大牽引力可達(dá)1041，最大鏟取力為6C91，實(shí)驗(yàn)中最大水平載荷加到1001，垂直載荷加到551，對(duì)水平和垂直兩種載荷均分10次逐級(jí)加載，記錄每個(gè)載荷下的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力。任意選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)的位置如圖所示)，比較實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力值和有限元計(jì)算的應(yīng)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(yīng)力值在不斷增大，有限元計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值增長(zhǎng)趨勢(shì)吻合，且有限元計(jì)算值基本上大于實(shí)驗(yàn)值，說(shuō)明有限元模型的剛度大于實(shí)際車體的剛度。此結(jié)果表明，鏟運(yùn)機(jī)整機(jī)有限元模型的建模方法是正確的。
使用所建整機(jī)有限元模型，對(duì)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(jī)有限元模型，對(duì)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(jìn)行有限元計(jì)算，得到3種工況下整機(jī)結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和變形，分別見圖從等效應(yīng)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(jī)等效應(yīng)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(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)前橋鉸接板處，應(yīng)力值為167MPa如圖所示，后輪離地牽引工況最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在動(dòng)臂鉸座板的鉸孔處，最大等效應(yīng)力高達(dá)375MPG。前輪離地牽引工況，后車架受力明顯增大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在連接擺動(dòng)架的前支承板與右側(cè)板焊接處，應(yīng)力值為392MPa。在3種工況下，動(dòng)臂、前后車架上下鉸接板及翻斗油缸鉸座板受力都很大，實(shí)際作業(yè)過程中這些部位也是易破壞的薄弱部位。動(dòng)臂的下部分比上部分受力嚴(yán)重，建議適當(dāng)?shù)睾附蛹訌?qiáng)板。同時(shí)，動(dòng)臂側(cè)板與橫梁焊接的根部(測(cè)點(diǎn)1處)存在幾何非線性情況，應(yīng)力值非線性變化。前車架除橋安裝板及動(dòng)臂鉸座板的應(yīng)力較大外，其整體的強(qiáng)度和剛度都是滿足要求的，因此在前車架的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮應(yīng)力集中的因素。前后車架的鉸接板也是高應(yīng)力區(qū)，但從有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，強(qiáng)度仍是足夠的。前輪離地牽引工況下，后車架在連接擺動(dòng)架的前支承板與右側(cè)板焊接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，建議加強(qiáng)此處的焊接質(zhì)量。后車架尾部在3種工況下應(yīng)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(yùn)機(jī)整機(jī)的有限元模型。彌補(bǔ)了結(jié)構(gòu)件分開計(jì)算時(shí)，邊界條件及載荷難以確定的不足，使得分析的結(jié)果更為準(zhǔn)確。(2)有限元計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值增長(zhǎng)趨勢(shì)吻合，表明鏟運(yùn)機(jī)整機(jī)有限元模型的建模方法是正確的。實(shí)驗(yàn)值大部分小于有限元計(jì)算值，說(shuō)明整機(jī)模型剛度大于實(shí)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(yùn)機(jī)車架的最大等效應(yīng)力為167MP，滿足強(qiáng)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(yīng)力分別為375MPa，392MPa是危險(xiǎn)工況。
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