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装载机箱型动臂有限元分析与研究

发布于:2018-04-23 21:10
有限元分析

       木材装载机是以装卸原木为主,兼备一般装载机功能的工程机械,为适应其工作介质多样和工作条件恶劣的特点,动臂采用自重轻,侧向刚度好和扭转刚度大的箱型结构。但由于某些动臂的臂型设计和焊接工艺不够合理,再加上随机变化的冲击载荷长期作用,于是在动臂后部腹板内侧靠近上盖板的高应力区出现低周疲劳裂纹,以致直接影响装载机的使用寿命。为了提高动臂工作的可靠性,因此对动臂的强度分析和研究十分重要。首先大家针对原有动臂采用有限元分析,光弹性试验和样机实测等进行强度分析,根据动臂应力分布规律和大小进行多次改进,然后对改进的新动臂再进行强度分析,并验证3种方法所得结果的一致性。其次针对箱型动臂空间对称结构采用处理平面问题的简单方法进行应力分析,同时用实测方法预以检验和修正。实践证明:这种简化是合理的,计算精度在工程上是足够的。
       按照木材装载机的实际工作情况,确定下列外载荷和3种分析工况。铲斗斗底与地面夹角为3-50,这时装载机有两种工作情况,见图。铲掘工况工况铲斗沿水平面插入料堆同时举升动臂,铲尖中央作用着倾翻载荷,插入力PZ和铲斗自重。倾翻工况轮离地,在铲尖中央作用只和远伸工况;高举工况上述工况载荷数值见表。铲斗沿水平面插入料堆后,动臂举升,这时装载机两只后动臂水平至最远位置,铲斗满载,动臂受力作用。动臂举升到最高位置,动臂受P作用;偏载工况铲斗水平,铲尖离地10m,倾翻力作用点偏移至距铲斗左端0.3L(L为斗宽)处,装载机前桥垫起,举升动臂;当偏载力达到极限值时,右后轮离地。动载试验工况装载机满载,动臂水平,以高速和中速越过路障,前左轮连续通过两根枕木,测定动臂的动应力和动荷系数。超负荷铲掘试验工况用铲斗以高速插入生铁块和碎铁块进行铲掘作业,测定动竹的动应力。
       动臂按平面问题分析,将结构离散为计算模型时作下述处理:将两侧腹板合并成一块平面板,并离散成三角形单元,单元厚度可以随腹板和加强板的厚度变化而改变。上、下盖板、腹板间加强筋和轴套离散成杆单元,杆截面随盖板或筋板的截面而改变。杆单元设置在两相邻节点之间,它与三角形单元的一个边重合,三角形单元与杆单元用节点联系在一起,它们的节点位移是协调的。这种混合单元的计算模型比较符合箱型结构的实际受力情况。由有限元理论,采用位移法以矩阵形式列出三角形单元和杆单元的节点力与节点位移之间的关系式。三角形单元应力矩阵,弹性模量,杆单元长度。根据上述有限元计算过程编制了平面加筋源程序,采用ALGOL60语言,通过电算,获得新动臂在工况的应力和变形值。在以上诸工况中以L工况的动臂周边应力为最大,动臂最大拉应力在其上缘前端,其值为最大压应力在其下缘中部,两个圆弧的交界处,其值为1166kg/cm2,新动臂安全系数为2.54,它与文献推荐的强度安全系数2.0-2.5相比,强度完全满足要求,从以上诸工况的动臂变形值也可以看出,工况的节点位移为最大。
       箱型动臂光弹性试验,采用聚碳酸醋为模型材料,它的光力学灵敏度高(比环氧树脂减出份倍),无时间边缘效应,无毒。为了直接观察在外载荷作用下整个模型的全视场的称色级图案,大家采用有机玻璃和聚碳酸醋模型组合的加载装置。将油缸,连杆,铲斗用有机玻璃作为假想件,然后按工况条件和外载荷根据相似条件直接加载,由于有机玻璃透明性好,光力学效应灵敏度非常迟钝,在两者材料条纹值相差甚大的条件下长所规察到的等色线图案没有畸变现象。采用矩形截面的模型来模拟截面为箱型结构的动臂,下面给出模型应力转化到动臂上原型应力的换算公式。


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