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基于SolidWorks的挖掘机铲斗分析与优化设计

发表时间: 2017/7/28 作者: 殷淑芳*尹开勤 来源: 互联网
挖掘机铲斗是挖掘机工作装置中最为重要的部件之一,其在工作时,与石块、土壤等直接接触,工作条件极为恶劣。其结构设计的合理与否,直接影响到挖掘机铲斗的使用寿命。为解决这一问题,采用SolidWorks Simulation对挖掘机铲斗进行有限元分析,采用实体、壳体混合有限元网格模型,并进行相应的约束及载荷的加载,得到其在极端条件下的应力分布状态。并应用SolidWorks Simulation中结构参数优化功能,对挖掘机铲斗进行优化设计,以此改善挖掘机铲斗在极端工况下的受力,从而提高其使用寿命。
 

    0 引 言

    挖掘机是通过其工作装置中的铲斗来挖掘土壤、煤泥、疏松后的石块等物料,并运至指定位置或装车的一种机械,主要用于工程作业中的土方作业。在其工作过程中,铲斗直接与物料接触,承受较大的冲击、摩擦载荷。且其工作过程受物料多样性变化的影响,铲斗的受力并不均匀,很多情况下,所受作用力只作用于铲斗的一个铲齿上,极端的情况,甚至作用于最靠边的铲齿上,造成极大的偏载、应力集中。

    受制于铲斗恶劣的工况,在进行铲斗设计时,在保证斗容满足要求的情况下,力求相关结构参数设置的合理,使其具有较高的可靠性。但针对铲斗的受力计算中,若采用传统设计方法进行计算,不但计算过程复杂且不易保证结果的正确性。

    SolidWorks Simulation与三维造型软件SolidWorks无缝集成,用户可以在同一个软件环境下方便地实现产品的设计及有限元强度分析。故在本次铲斗有限元强度分析时采用SolidWorks Simulation作为有限元分析平台,对某企业的XE215CA型铲斗的结构进行分析和设计优化。

    1 铲斗强度的有限元分析思路

    在常规的结构件应用有限元分析软件进行计算时,通常首先根据结构件的结构特点,建立有限元分析所需的模型;根据结构件所用的材料建立材料模型;然后根据结构件的工作情况确定相应的载荷及约束,并划分网格;最后运行求解。

    由于铲斗的工作时,作业情况复杂,并且需要对结构参数进行优化,如果仅按常规的分析思路进行有限元的分析求解,则会造成分析过程反复,分析效率低下。

    2 铲斗结构分析

    铲斗结构如图1所示,其一般由斗壁、斗底、耳板、斗齿及斗角等组成。主要设计数据有斗底板厚度、耳板厚度、斗壁厚度、斗角厚度、背板厚度、耳板间距、斗角长、斗角宽及斗角圆弧半径,通过强度分析,对其设计数据进行优化设计。

    由铲斗的结构可知,构成铲斗主要结构的斗壁、斗底、耳板均由钢板加工后经焊接而成。斗壁、斗底钢板厚度相对于其余两个方向的尺寸数值较小。针对这种情况如果在有限元分析中,斗壁、斗底依然采用实体单元进行分析,为保证分析结果的准确性,必须在板厚方向划分不少于两层的单元网格。以斗容为0.9m3铲斗为例,斗壁、斗底所采用的钢板板厚一般在20~30mm,而其连长可在960mm左右,由此可知网格的划分数量将在十万以上,将会大大增加分析的规模,从而降低有限元分析速度。这个现象在优化设计将更为明显,因为在优化分析计算时,为得到最优的结果,有限元分析软件会针对所分析的工况,根据可变的参数范围,生成数以百计的样本点,并对这些样本点逐一求解。

    为解决一问题,针对斗壁、斗底、耳板等板类结构,在三维建模时,采用曲面建模,在有限元求解时,应用壳体网格单元划分,并定义相应厚度。采用这种方式,由于没有了厚度尺寸的限制,在满足精度要求的条件下,网格单元尺寸可以设置的大一些,由此可极大的减少网格单元数量,缩减分析规模,从而提高分析速度。而铲齿等结构件,仍采用实体模型建模;为简化模型,铲斗中对结构强度不产生影响的孔等结构不再体现在有限元分析模型中,最终确定分析模型如图2所示。

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    在铲斗的分析模型建立之时,需同时根据铲斗结构可优化参数,以便在后续结构优化设计中应用。根据铲斗结构特点,可优化结构尺寸有斗底、斗壁、耳板的板厚,斗角的外形尺寸(长、宽、圆弧半径),两耳板的间距等。

    根据SolidWorks Simulation软件特点,相关参数的设置及与分析模型的链接可在其软件环境中“参数”对话框下设置。在设置时,需为相应的参数设置对应的名称,此次分析以斗容为0.9m3铲斗为例,取斗底板厚参数为aa,耳板厚度尺寸参数为bb,斗壁厚度参数为cc,斗角的厚度参数为dd,背板的厚度为ee,耳板间距参数为ff,斗角的长、宽、圆弧半径参数分别为为gg、hh、ii。具体数值见表1。

    由有限元分析的相关要求可知,在进行铲斗的强度分析时,必须要知道材质的弹性模量、泊松比等参数;而组成铲斗的各结构件,其材质一般为16Mn、高锰耐磨钢等,这个钢材的弹性模量与泊松比基本一致,在分析时,铲斗各构件材质的弹性模量为2.11×1011Pa,泊松比取0.28。

    表1 有限元分析参数表

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    3 确定载荷

    由于挖掘机工作时工况的多样性,作用于铲斗的载荷并不易于确定。因为挖掘机在实际工作过程中,铲斗铲齿不断受物料中的切削阻力、物料与铲齿间的摩擦力及物料进入铲斗后的挤压作用力,铲斗各个铲齿所受作用力的工况是随机的。且本文旨在求解铲斗在极端应力下的应力响应,故在载荷设置时取挖掘机标定的最大载荷。

    因挖掘机在工作时,载荷在铲斗的分布并不均匀,在少数时候甚至会有极端的情况出现。故在载荷加载,将载荷全部加载在其中的一个铲齿上,并在每个算例中依次选取居中、靠边、最边的铲齿作为施加载荷的位置。载荷方向与铲斗铲齿尖绕铲斗铰轴回转时形成的弧形运动轨迹相切。

    所加载载荷的大小按单独操作铲斗液压缸或斗杆液压缸时在铲斗铲齿尖上所产生的实际作用力,本次所分析国内挖掘机型号:XE215CA,最大挖掘力为149kN。

    4 接触条件的设置

    由于铲斗并不是一个整体结构,而是一系列构件组成的集合体,且采用了不同网格类型,故在分析前必须设置相应的接触条件,以便准确地求解分析。

    由铲斗结构可知,斗壁与斗底、斗壁与背板、背板与斗底、耳板与斗底、背板之间、斗角与斗壁通过焊缝连接,铲齿与斗底之间通过螺栓连接。在SolidWorks Simulation中,焊缝等钢性连接,一般通过接触对象间的连接对象间的“接合”来处理。对于铲齿与斗底间的螺栓连接,由于在之前铲斗分析模型建立时,为缩小分析规模,连接所用的螺栓孔并未体现在模型中,故二者之间的连接仍采用“接合”来处理,对铲斗整体强度的分析结果影响不大。

    5 后处理

    在铲斗材料、连接、约束及载荷设置完成之后,在运行分析之前,需对其进行网格划分。网格划分的合适与否,对计算结果有着决定性的影响,在本次强度分析时,取网格单元大小为42mm,公差为2.1mm,并选择“自动过渡”选项。生成网格之后,可得结果如表2所示。

    表2 网格划分结果

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责任编辑:郝秋红