装载机工作机构设计有限元分析

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摘 要：在煤矿巷道施工机械领域采用液压扒斗式装载机技术，可以加快施工速度、降低工人的劳动强度，而且在巷道、隧道、水电涵洞等施工方面具有广阔的应用前景。本文采用现代设计理论和方法对新型液压装载机工作装置进行设计研究，以期能研制出满足煤矿需求的产品，提高巷道施工掘进的机械化程度。本文研究重点为工作机构有限元分析。

关键词：工作机构 运动分析 有限元析

中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（a）-0070-02

1 研究背景

随着新技术不断出现，自20世纪末期以来，煤矿采掘技术与装备迅速发展并得以推广。先进采煤国家积极应用先进的机电一体化和矿井生产过程自动化控制及自动化技术，研制开发了高生产能力、高性能的开采技术装备，还广泛应用新技术实现了矿井的高产高效和集约化生产。

从总体上看我国的煤矿建井技术已进入先进国家行列。其中，井巷施工中，斜井、立井施工的机械化配套施工工艺和冻结、注浆等各类特殊凿井技术均达到世界先进水平，基本具备了在国际市场竞争的能力，唯独巷道施工尤其是岩巷施工在机械化水平、施工工艺、施工速度上都明显落后于采煤技术先进国家[1]。

目前，机掘法和钻爆法是岩巷掘进的两种主要工艺[2]。机掘法就是使用全断面岩石掘进机进行巷道开拓的方法，可以经济切割普氏系数低于f7的巷道岩石。钻爆法是先在工作面钻出炮眼，在炮眼内装入炸药进行爆破，实现破岩的一种方法[3]。发达国家采用机掘法进行岩石巷道施工的数量在掘进中所占比例较高，可以达到30%～40%。但由于受技术发展水平和经济因素的制约，钻爆法将仍是我国煤矿岩巷掘进的主要方法[4]。

本课题研究的目的：本论文在前人大量研究工作的基础上，提出了在煤矿巷道和隧道掘进中发展以扒斗式装载机和全液压钻车相配套的岩巷机械化作业线的必要性。并在新式岩巷施工设备—扒斗式装载机的工作机构设计中，引入了三维设计方式和有限元分析方式，改变了传统的经验设计的模式，使设计更加直观可靠，可以对其进行运动学分析、强度分析、模态分析和干涉检验。这为产品设计开发及后续工作奠定了必要的理论基础。

2 研究现状分析

自20世纪90年代以来，国外装载机进入了一个新的发展时期，在广泛应用新技术的同时，不断涌现出新结构和新产品。继完成提高整机可靠性任务之后，技术发展的重点在于增加产品的电、液技术含量，努力完善产品的标准化、系列化和通用化，向节能、环保及可视化操纵方向发展[5]。通过对传统的操纵与控制结构的数字化改造，既实现了精确的铲装作业，又大大改善了驾驶人员的工作条件，极大地提高了作业效率。“通过产品的更新换代，不断提高产品的技术水平和科技含量”是国外装载机生产厂商始终不渝的追求。

我国通过引进不断更新的先进装备和技术，大力推广机械化配套，已在生产中形成了多条的机械化作业线。目前岩巷掘进施工机械化主要有4种配套方式，即侧卸装岩机配全液压钻车、耙斗装岩机配气腿凿岩机、侧卸装岩机配耙斗装岩机、侧卸装岩机配皮带转载机[6]。

掘进断面小于或等于12 m2岩石巷道，采用多台凿岩机钻孔，耙斗装岩，电动车拖拽矿车运输出矸石。掘进断面大于12 m2岩石巷道，采用多台凿岩钻车钻孔，耙斗装岩或侧卸式装岩机装岩石，电动车拖拽矿车运输出矸石[7]。这是比较常见的配套形式。

3 动臂的有限元分析

动臂是扒斗式装载机工作机构的关键部件之一，是进行扒料、推拉工作的承力部件，它的结构对工作机构装载性能的发挥有重要影响，因而对其结构的详细分析就显得至关重要。

3.1 动臂有限元分析

建模时要注意网格划分。

（1）网格数量。

又称绝对网格密度，它通过网格尺寸来控制。在有限元分析中，网格数量的多少主要影响以下两个方面：①计算精度网格数量增加，计算精度一般会随之提高。这是因为：网格边界越多，就能够更好地迫近实体结构中实际的曲线边界或曲面边界；也就保证单元位移函数更好的逼近实际结构中的实际位移分布；在应力梯度较大的部位，能够更好地反映应力值的变化。但是也需要提醒的是：网格数量太多时，计算的累积误差反而会降低计算精度。②计算规模网格数量增加，将主要增加以下几个方面的时间：单元形成时间；求解方程时间；网格划分时间。

（2）网格疏密。

网格疏密是指结构不同部位采用不同大小的网格，又称相对网格密度，它通过在不同位置设置不同的网格尺寸来控制。在实际结构中应力场很少有均匀变化的，绝大多数结构或多或少的存在不同程度的应力集中。为了反映应力场的局部特性和准确计算最大应力值，应力集中区域就应采用较多的网格，而对于其他的非应力集中区域，为了减少网格数量，则采用较稀疏的网格。

（3）单元阶次。

结构单元都具有低阶和高阶形式，采用高阶单元就是为了提高有限元计算精度，其可利用高阶单元的高次位移函数以求得更逼近结构较复杂的位移分布。但是一般高阶单元会存在相对较多的节点，使用时也应注意计算精度和模型规模两个因素的考虑，一定要处理好单元阶次和节点数量的关系。

（4）网格质量。

这指网格划分几何形状的合理性。网格划分质量的好坏将真正影响到计算结果的精度，网格划分不理想必将中止有限元计算过程的运行。

（1）建模阶段。

创建有限元模型，用于进行参数定义、实体建模和网格划分。动臂采用整体式箱型方案，结构简单，重量轻。其主体框架由左侧板、右侧板、上板、下板、前倾板、立板焊接而成。左右侧板厚度16 mm的16 Mn钢板。动臂与转台、斗杆、动臂油缸联接的轴座采用ZG350-500材料铸造而成，轴座与箱形框架焊接形成动臂。在框架的不同位置焊有六块厚度10 mm加强筋板。在建立有限元模型时，由于一些小构件对整体刚度影响很小，如焊接上的限位板、吊耳等，均予以忽略。

在本模型中使用实体单元类型分网[8]。分网后共划分13682个单元，节点数量36824。分网结果如图1所示。

各焊接件采用16Mn钢板，该材料具有良好的韧性、焊接性能及冷加工性，综合力学性能优良，在分析时定义16Mn钢板相关材料属性如下：抗拉强度510～660 MPa，许用应力345 MPa，泊松比为0.3，弹性模量2.06×105 MPa，密度7800 kg/m3。（如图1图2）

（2）有限元计算阶段。

另外，由实际工况和以上分析可知扒斗工作机构工况Ⅰ时，动臂结合动作时，动臂的作业环境最为恶劣，因而本文仅就该过程进行分析，其他工况可采用相同的方法进行。对动臂加载如图2所示。

（3）后处理阶段。

后处理阶段的目的就是对计算输出的结果进行必要的处理，并按要求的方式输出结果并显示出来，结果可以是变形图和应力图等形式。这样就有利于使用者对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并根据结果及时作出相应的改进或对设计方案进行优化。

用上述有限元模型，在ANSYS软件中加边界条件和载荷后进行计算。结果表明：在工况Ⅰ情况下，动臂的最大应力为198.09 MPa，在动臂与支座铰接孔部位，应力的大小满足设计要求。说明该工作机构的动臂设计基本满足强度要求。应力较大的部位在动臂与支座铰接孔附近，此处受力情况较复杂。且该区域也是焊接的热影响区。所以对靠近铰接孔的部位应适当加强，可提高该动臂的整体工作性能。

分析可知，通过输出文件可观测到结点的应力、应变、位移云图和数据列表。动臂与支座的铰接处应力集中现象较为严重，此外连接孔座处应力较大。

3.2 动臂模态分析

用模态分析进行结构动力特性的研究一种近代方法，它是系统辨别方法在工程领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性。而每一个模态具有的固有频率、阻尼比和模态振型这些模态参数可以由实际计算或试验分析取得。而这样一个实际计算或试验分析过程被称为模态分析过程。我们采用有限元计算的方法取得的模态分析，被称为计算模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。模态分析的经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。

模态分析用于确定结构的自振频率（也叫固有频率）和振型。ANSYS可以对包含预应力的结构进行模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。通过模态分析方法了解结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，研究人员就可能预见到该结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法之一。

ANSYS提供了七种模态提取的方法：QR阻尼法、PowerDynamic方法、缩减法、非对称方法、分块Lanczos方法、阻尼法和子空间法，其QR阻尼法和阻尼法均应考虑机构的阻尼效应。

3.3 分析结果并提出改进措施

在利用有限元分析法求解后，对结果的分析是评价产品、总结结论、提出建议、指导产品优化结构、改进性能的最终目的。

模态分析技术的应用作用：（1）可对现有结构系统的动态特性进行评价。（2）进行结构系统的故障的诊断及预报。（3）对新产品进行结构动态特性的预估和优化设计。（4）其能够识别结构系统中的载荷。

本分析中可知，动臂支座铰接孔强度数值大原因主要因为轴座是整个动臂与平台的联接部件，是整个动臂作业的支撑点，工作机构每次工作都会受到较大荷载。另外该区域又是焊接的热影响区，是集中力作用处，容易发生破坏。支撑座是动臂油缸的上铰点，且它与斗杆油缸联接座相距不远，是动臂上结构最复杂的地方。另外各联接部位也是应力较大的地方，在设计时应该引起注意。

本工况下，动臂的最大应力为198.09 MPa，在动臂与支座铰接孔部位，应力的大小满足设计要求。在各阶模态分析中可以看出发生扭振的最大变形位置通常出现在左右侧板、动臂油缸连接板等刚度相对较小处，需要增加其局部刚度。

通过上述分析结果，需要对如下部分进行改进：采用各铰接孔处焊接厚衬板、加厚左右侧板、加长衬套等方式进行加固。油缸座支撑衬板要加焊加强板或用较厚的板代替；增强动臂侧板的箱型封闭性，在前倾板处加焊连接板。

参考文献

[1] 崔增祈，李树青.岩巷施工技术的回顾与展望[J].建井技术，1996（5/6）：3-5.

[2] 邵虎成.岩巷装载技术及其发展[J].建井技术，1996（5/6）：20-21.

[3] 窦庆峰.钻爆法在隧道施工中的发展趋势[C]//煤炭科学研究总院北京建井研究所.矿井建设现代技术理论与实践.北京：煤炭工业出版社，2005：581-584.

[4] 王宗禹.煤矿岩巷掘进技术[C]//煤炭科学研究总院北京建井研究所.矿井建设现代技术理论与实践.北京：煤炭工业出版社，2005：572-574.

[5] 姜金球.岩巷掘进施工机械化配套方案[J].建井技术，2000（8）：30-33.

[6] 李振东.“三车”配套机械化作业线与传统工法在岩平巷施工中的应用比较[J].建井技术，2009（1）：29.

[7] 煤矿安全规程[S]，北京：煤炭工业出版社，2010，10.

[8] 龚曙光.ANSYS工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2003：3-4.