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双摇臂装载机动臂的有限元分析

发布于:2018-06-22 18:27
有限元分析

      装载机是工程机械的主要机种之一,采用传统设计方法在一定程度上存在盲目性,容易形成设计中的人为应力集中点,造成机构整体强度的削弱甚至破坏。按这种设计生产出的产品,外观上看上去很强壮、刚性很好,但却有内在的设计缺陷,使用过程中常因工作装置结构强度等原因,产生开焊、甚至断裂等损坏现象,致使工作装置报废,造成重大经济损失。动臂是装载机工作装置的重要组成部分,起着主要的承载作用,分别与铲斗、摇臂、拉杆、前车架相铰接,是整个工作装置部分的核心部件。
      ZLSOF双摇臂装载机的动臂一直存在强度问题,已经修改过几次,但并未用有效的方法来进行分析。前一段时间,新改进的ZLSOF双摇臂装载机的动臂出现批量断裂,针对这一情况,运用美国大型有限元分析AppNASTRAN对该动臂进行了强度分析,并根据分析结果进行了结构改进,最终使动臂满足了强度要求。
      断裂时首先在破坏点处出现裂纹,然后裂纹沿着焊缝开始扩展,最终导致整个动臂断裂。此种断裂性质严重,使装载机不能正常工作。在分析动臂时没有将其分离出来单独加载,而是对整个工作装置进行了分析,只在铲斗上加力,这样做可以免去中间的动臂受力计算过程。与铲斗、摇臂、拉杆、前车架及液压缸间采用铰接的方式来模拟,使它们之间只有1个旋转自由度。需要注意的是2个动臂液压缸与2个翻斗液压缸中的压力分别相等,在这里,用多点约束来使它们的压力相等。整个工作装置中动臂采用实体单元划分,铲斗、摇臂及拉杆均采用壳单元来模拟。整个模型共有214968个单元。该装载机所能达到的最大牵引力为150 kN,最大掘起力为160 kN,倾翻载荷为114 kN。分析时采用比较典型的两种工况:联合偏载工况与地面支撑掘起工况。将动臂上铰点、举升液压缸和翻斗液压缸以铰链形式固定。载荷分为水平力Fx、竖直力F,及工作装置自重。前两个载荷的作用点在主导板向后及距铲斗总长的三分之一处。两种工况下所施加的载荷大小分别为:
      联合偏载:F=100 kN,F=114 kN;
      地面支撑掘起:F=0,F=160 kN;
      自重G由有限元App自动计算。
      将满足工况的载荷和约束施加到有限元网格上,通过计算可得动臂的有限元分析结果。
      在联合偏载工况下,动臂在破坏点处应力达到最大,密赛斯应力达到548 MPa,最大变形发生在动臂下铰点处,为24 mm。在支撑掘起工况下应力最大达到156 MPa,最大变形为0.97 mm。
      动臂的材料为Q345,其屈服强度为345 MPa。显而易见,在支撑掘起工况下动臂强度满足要求,而在联合偏载工况下则不能满足要求,这是由于破坏点处的应力集中引起的。
      为了使动臂强度满足要求,对动臂结构进行了适当改进。破坏点处的两个筋板直接焊在动臂应力较大位置不合适,由于焊接缺陷会削弱动臂的强度,另一方面也会引起应力集中,因此将这两块筋板去掉。同时将隔板上边缘减小,使其与动臂上边缘具有间隙。对修改后的动臂再一次进行分析,此次分析只取联合偏载工况,最大应力达到317 MPa,满足了强度要求,最大变形仍为24 mm,满足了刚度要求。
      根据以上分析结果,装配出一台具有新型动臂结构的ZLSOF双摇臂装载机。为了验证分析过程中所建立的有限元模型和载荷模型的正确性,对具有新型动臂结构的装载机的动臂进行了应力测试,试验工况与分析工况相同。


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