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1、摘要：本文运用SOLIDWORKS软件建立了挖装机工作装置的主要部件斗杆和动臂的三维模型，导入ANSYS软件对其进行了静力学分析和模态分析，得到了一典型工况下的应力分布及斗杆和动臂的固有频率及振型特征，为实际试验分析提供了一定的参考和依据。关键词：静力学分析，模态分析。挖装机作为一种高效的隧道施工机械，最近在中国的运用逐渐增多，因而有必要对其进行研究。跟挖掘机一样其工作装置依然是研究的重点，静力学分析和模态分析又是工作装置动力学中不可缺少的二大方面。故而本文对挖装机的动臂和斗杆这二个工作装置中较为重要的构件进行了静力学分析和模态分析。对缩短产品的开发周期和降低生产成本有一定的积极意义。1. 载
2、荷的确定要进行静力学分析就必须知道各构件之间及铰点上的力。这里运用经典的理论力学进行分析。1.1 计算工况的选择本文对德国Schaeff公司的ITC 312-H4挖装机进行实地测绘，运用三维建模软件solidworks进行建模，得到的模型工况如图1。图1 挖装机工作装置结构1-斗杆，2-回转前件，3-回转后件，4-动臂，5-底座，6-动臂油缸，7-接头油缸，8-斗杆回转油缸，9-斗杆油缸，10-铲斗，11-弯连杆，12-直连杆，13-铲斗油缸。由于挖装机工况很多，不仅有纵向的挖掘，还可以进行横向的角度摆动，因此限于篇幅而不能一一求解，现对一典型工况（即动臂油缸6，接头油缸7，斗杆油缸9都处于收
3、缩状态，通过铲斗油缸转动进行挖掘时的工况）进行求解。图2，挖装机计算工矿1.2 油缸推力各个液压缸的受力取决于不同的工况，在工况（图3）明确后，各液压缸的受力也就是一个确定的值。为了简便计算，我们忽略油缸质量，各构件的质量和铲斗内的土的质量（这恰好使计算值比实际的油缸受力偏大），连杆的机械效率，铲斗内土的摩擦力。图 油缸工作力计算简图（1）由理论力学我们不难得到铲斗油缸的工作压力: (1)式中 Fq挖装机的扒渣阻力；（将原来的扒渣阻力简化为一个合力并作用于铲斗的重心） Fwt挖装机的切向挖掘力； L1切向挖掘力对铲斗和斗杆的铰接点M的力臂； L5铲斗和斗杆的铰接点M到连杆JL的距离； L12挖
4、装机的扒渣阻力到铲斗和斗杆的铰接点M得力臂； 连杆JL与KJ连杆夹角； 铲斗油缸作用力方向与连杆KJ的夹角。 （2）斗杆油缸的工作压力： （2）式中 Fwn挖装机的法向挖掘力； L2，L9，L14，L6切向挖掘力，法向挖掘力，扒渣阻力，斗杆油缸工作压力对回转前件和斗杆的铰接点H的力臂；（3） 接头油缸的工作压力： （3）式中 L3，L10，L13，L7切向挖掘力，法向挖掘力，扒渣阻力，接头油缸工作压力对回转后件和动臂的铰接点D的力臂; （4） 动臂油缸的工作压力； (4) 式中 L4，L11，L15，L8切向挖掘力，法向挖掘力，扒渣阻力，动臂油缸工作压力对底座和动臂的铰接点O的力臂; 1.3
5、铲斗挖掘力的计算 1.铲斗插入土堆时切削阻力其土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显变化。参考文献1挖掘阻力可分为沿铲斗挖掘轨迹切线方向和法向方向两个力。切线方向力最大值按公式： （5）式中 C表示土壤硬度的系数，对于砾石，取C=9R铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即转斗切削半径，R=130，单位为cm；挖掘过程中铲斗总转角的一半，取=45B切削刃宽度影响系数，其中b为铲斗平均宽度，单位为m；A切削角变化影响系数，取A=1.3 Z带有斗齿的系数，Z=0.75 X斗侧壁厚度影响系数，其中s为侧壁厚度，单位为cm，取s=2.5D切削刃挤压土壤的力，根据斗容量（这里斗容量为0.5m3）大小取D=9.8 kN
6、2.铲斗插入土堆后，将进行扒渣动作，其扒渣阻力Fq由几部分组成 (6) 堆积土堆的移动阻力 斗内侧壁与土壤的摩擦阻力 斗外侧壁与土壤的摩擦阻力其中 (7) 土壤与斗内底的摩擦力，N 被推移土体的土壤重力造成的摩擦力,N土壤与斗内底的摩擦力 (8)式中 R挖掘半径，M，取R=1.3; 铲斗瞬时回转角，取=45; t挖掘深度，M，取t=1; 土壤的密度， 按砂石密度计算17.6 砾石与钢的摩擦系数，取0.3被推移土体重力造成的摩擦力 (9)扒进砾石的最大体积，选取铲斗最大的截面积计算，挖掘最远距离考虑砾石自然坡角。取=2.16，砾石的内摩擦系数，取0.99。 斗内侧壁与土壤的摩擦阻力： (10)式
7、中侧压系数，取0.2，斗内侧面积，通过计算取0.32， 铲斗长度，m，取1，松散系数，取1.4斗外侧壁与土壤的摩擦阻力： (11) 斗外侧面积， ，取0.321.4 各铰点反力的计算斗杆受力简图（略去了扒渣阻力使得计算出来的铰点反力偏大），回转件受力简图，动臂受力简图，由力学的平衡条件我们得到各铰点的反力：图 铲斗受力图 （12） （13）式中 F2斗杆油缸工作拉力； Fwn法向挖掘力； Fwt切线挖掘力； G1,G2,G3,G4,G5,G6斗杆重力，铲斗油缸重力，连杆连杆JK重力，连杆JL重力，铲斗重力，铲斗内土的重力（取斗容量的一半即0.25t）； 斗杆油缸工作拉力的水平夹角；图 回转件受
8、力简图 （12） （13）式中 F3接头油缸工作拉力； G7,G8,G9转向油缸的重力，回转后件的重力，回转前件的重力； 接头油缸工作拉力的水平夹角；图 动臂计算简图 （14） （15）由公式1-15可以求得在其他油缸都收缩闭锁时，只有铲斗油缸伸缩工况下的各铰点反力。带入结构数据后计算得到各点反力如表 表 各铰点的力名称F1(kN)F2(kN)F3(kN)F4(kN)Fwt(kN)Fwn(kN)Fq(kN)值名称FHx(kN)FHy(kN)FEx(kN)FEy(kN)FOx(kN)FOy(kN)值13.542.静力学分析静力学分析主要是校核各构件的强度，根据表计算所得到的数据，我们以动臂为例运
9、用ansys进行其强度的求解。2.1 模型的建立运用solidworks进行建模，并将其导入ansys进行分析。 图31.2 工况的确定由于本工作装置油缸比较多，工作路径有很多，在此选取机器在两个不同的偏转角下的一种路径工作状况进行模拟。工况1.无偏转角作业选取在尾部油缸和转向架油缸，接头油缸不动，利用动臂油缸与斗杆油缸，铲斗油缸进行扒渣动作。整个工作循环按照一般工作时间段设置（表1）。挖装机工作装置始终会保持垂直于车身正面，以初始导入位置为起点，进行一次完整的工作过程。表1 工况1工作时间设置时间段具体动作抬斗过程0至2秒铲斗油缸收缩挖掘过程2至5秒铲斗油缸推出扒渣过程6至9秒动臂油缸推出，
10、斗杆油缸收缩，铲斗油缸调节。工况2.偏转最大角度作业选取在动臂转向油缸和转向架油缸均推出到最大行程。也就是工作装置达到极限偏转位置进行一次扒渣作业。表2 工况2工作时间设置时间段具体动作转动过程0至2秒动臂转动缸收缩，转动架油缸差动抬斗过程2至4秒铲斗油缸收缩挖掘过程4至7秒铲斗油缸推出扒渣过程8至11秒动臂油缸推出，斗杆油缸收缩，铲斗油缸调节。根据表1，表2，和表3（油缸行程表）就可以写出各油缸驱动的step函数，这样就可以进行仿真了。表3 油缸行程表液压缸种类全缩长度全伸长度最大行程动臂转动缸401800399动臂缸12001870670斗杆缸10401500460铲斗缸127520207
11、45转向缸530850320接头缸119018006101.3在挖掘过程中，挖掘力随挖掘深度变化，由0变为最大，随后扒渣过程中，土壤与斗内底的摩擦力始终保持不变直到扒渣结束，被推移土体重力造成的摩擦力在扒渣开始时最大，结束后变为0，斗内外侧壁与土壤的摩擦阻力的合力，始终保持不变。加载挖掘阻力如图4-a，加载扒渣阻力如图4-b。加载好之后通过step函数来控制其在挖掘过程中的出现和消失。 图4 切削阻力加载这样仿真过后就可以得到各铰点的力变化曲线，找出其中最大的力表4为静力学分析提供载荷。图1 ITC 312-H4挖装机动臂模型图1 ITC 312-H4挖装机斗杆模型将建好的模型导入ansys中
12、，转换成实体模型1。2.2 添加材料属性选择单元类型由于动臂和斗杆都是由10-50mm的Q235钢板焊接而成，在不考虑焊接质量的情况下，将动臂和斗杆看做一个实体整体。其材料属性如表1。用于实体的ansys单元很多，但是由于是外部的cad/cam系统生成的模型，故而根据ansys单元手册选择20节点的solid186单元。该单元具有二次位移，适于生成不规则网格模型（如由各种CAD/CAM系统生成的模型）。表1 Q235材料属性弹性模量Pa泊松比密度kg/m32.0*10110.37.85*1032.3 网格的划分网格密度的大小对有限元分析的精度有着密切的关系，太大则造成计算不够精确，太小密则对机
13、器造成很大的负担，甚至无法运算。本文通过实验最终选择以20mm为单元尺寸进行划分。划分后得到单元和节点。2.4 约束和载荷在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。（如果在某个自由度（DOF）处指定了一个非零位移约束，程序将以零位移约束替代在该自由度（DOF）处的设置）。可以施加除位移约束之外的其它载荷，但它们将被忽略（。在未加约束的方向上，程序将解算刚体运动（零频）以及高阶（非零频）自由体模态。根据实际情况，零位移约束分别添加在动臂与底座的铰接点和斗杆与回转前件的铰接点，限制其六个自由度。2. 结果分析选择分析类型为modal，选用ANSYS自带的BlockLanczos模态分析法法分析模型。提取前10阶的模态信息。进行模态求解得到表2，表3