铲运机工作机构运动学及动力学分析

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摘要:对铲运机工作机构进行运动学和动力学分析是铲运机设计工作中的重要一环。文章利用adams对铲运机工作机构进行了运动学及动力学分析,重点分析了各铰接点的受力情况,并对大臂与前车架及铲斗与大臂处铰销咬死进行了分析和总结,从而加深了对铲运机工作机构力学性能的认识和理解。

关键词:工作机构;运动学;动力学铲运机

中图分类号:TH132文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)04-0040-03

对铲运机工作机构进行运动学和动力学分析是铲运机设计工作中的重要一环。铲运机的构件是用来传递载荷或能量的,这些部件的强度、刚度、稳定性和破坏是设计中必须要考虑的。使用现代结构分析方法将铲运机结构设计从规范和经验设计向仿真设计转变,使设计者在设计阶段就能从仿真分析中形象地了解整个结构在受载后的应力、变形以及动力特性,评估设计质量,寻找最佳设计方案,将使铲运机结构设计质量发生质的飞跃。图1是三立方米铲运机工作机构虚拟模型:

一、运动学及动力学分析

1.动臂的受力状况。工作装置的动臂是整个工作装置的承力构件和运动基础,它的受力状态历来受到设计者的高度重视。在装载过程中转斗油缸及举升油缸运动特性如图2和图3所示。动臂与铲斗、举升油缸活塞杆、前车架三个铰销处铰销的受力仿真结果比较如图4至图6所示:

仿真结果表明:(1)动臂与前车架、举升油缸活塞杆、铲斗三铰点所受到的最大峰值载荷均出现在动臂举升到最高处物料卸载前的瞬间,此时动臂与铲斗铰销处峰值载荷为2.30×106 N,铲斗与动臂铰销处所受峰值应力为3.64×108 Pa;动臂与前车架铰销的峰值载荷为2.92×106 N,动臂与前车架铰销的峰值应力为3.11×108 Pa;动臂与举升油缸活塞杆铰销处的峰值载荷为5.74×106 N,该处的峰值应力为9.00×108 Pa;(2)动臂与前车架、举升油缸活塞杆、铲斗三铰点受力变化规律基本一致,出现的三个峰值的时间完全一样,分别为转斗的瞬间、铲斗处于最高的卸载位置、铲斗前倾物料即将卸载前的瞬间;(3)在地下铲运机工作装置的整个工作过程中,动臂与举升缸铰点处的受力变化波动幅度最大,而动臂与铲斗铰点受力变化波动幅度最小。

2.拉杆。拉杆与铲斗铰销的受力仿真结果如图7所示, 拉杆与摇臂铰销的受力变化如图8所示:

仿真结果表明:拉杆的受力状况比较复杂,出现四个较大的峰值区即转斗的瞬间、转斗结束的瞬间、铲斗处于最高的卸载位置处、物料卸载区;特别是物料卸载时,连杆的受力最为恶劣。连杆与铲斗铰接处铰销最大受力为2.30×106 N,3.66×108 Pa;而拉杆杆与摇臂铰销所受的力为2.30×106 N,其峰值应力为3.62×108 Pa。

3.转斗油缸活塞杆。转斗油缸是铲斗实现转斗动作必可少的一个部件,转斗油缸活塞杆的受力及应力变化仿真结果如图9所示:

仿真结果表明:转斗油缸活塞杆的最大受力发生在铲斗卸载前的瞬间,其峰值载荷为2.87×106 N,其峰值应力为4.50×108 Pa。

4.转斗油缸缸体与前车架铰销处的受力状况。转斗油缸与前车架的受力变化如图10所示。仿真结果表明:转斗油缸缸体与前车架铰销处的最大受力发生在铲斗卸载前的瞬间,其峰值载荷为2.87×106 N,该处最大应力为4.50×108 Pa。

5.举升油缸。举升油缸是工作装置实现从装载位置到最高卸载位置运动必不可少的部件,它的受力状况仿真结果如图11所示:

仿真结果表明:举升油缸受力变化也出现了三个较大的峰值,即转斗的瞬间、铲斗处于最高卸载位置、铲斗中物料卸载前的瞬间。其最大受力发生在动臂处于最高的卸载位置铲斗中物料卸载前的瞬间,所受到的最大外力为5.71×106 N,其峰值应力为9.00×108 Pa。

6.举升油缸与前车架铰销。举升油缸与前车架铰的受力与应力变化情况仿真结果如图12所示:

仿真结果表明:举升油缸最大受力发生在动臂处于最高的卸载位置铲斗中物料卸载前的瞬间,所受到的最大外力为5.71×106 N,其峰值应力为9.00×108 Pa。

7.摇臂与动臂铰销。摇臂与动臂铰销受力及应力变化情况仿真结果如图13所示:

仿真结果表明:举升油缸最大受力发生在动臂处于最高的卸载位置铲斗中物料卸载前的瞬间,所受到的最大外力为5.18×106 N,其峰值应力为6.60×108 Pa。

二、解决方案

从上面的力学分析来看,各销轴的受力情况都在设计安全范围之内。但是在实际的运动过程中,大臂与前车架及铲斗与大臂处铰销经常发生咬死,经分析是由于不充分所致,销轴与套的配合以前用的是H8/f7,现在改为了H8/e7,使销轴与套间隙增大,并在油出口处加工了一道油槽,使更加充分。结构改进后从为发生过咬死的情况。图14与图15分别是改进前的销轴结构及改进后的销轴结构。

三、结论

随着计算机技术的发展,人们对一些复杂运动机构的运动学分析及动力学分析显得越来越迫切,对铲运机工作机构进行运动学分析及动力学分析,能得到各铰销的峰值载荷发生的瞬间及载荷的大小,给工程设计提供了数据支持,并得到了大臂与前车架及铲斗与大臂处铰销咬死的原因是由于铰销设计不合理,导致了不够充分。

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作者简介:彭立志,男,安徽铜冠机械股份有限公司工程师,硕士,研究方向:井下无轨设备设计。