挖装机工作装置的静力学分析和模态分析

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2种工况下的应力分布及斗杆和动臂的固有频率及振型特征，为实际模态试验提供了一定的参考和依据。关键词：静力学分析，模态分析，有限元。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。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。1.载荷的计算要进行静力学分析就必须知道各构件之间及铰点上的力。求解构件之间的力的方法有多种，这里我们选择adams运动仿真的方法。1.1模型的建立和导入：本文对德国Schaeff公司的ITC312-H4挖装机进行实地测绘，运用三维建模软件solidworks进行建模，所得到的模型如图2，将模型导入adams中后定义运动副，定义油缸驱动，定义各构件的材料属性（本工作装置采用的是Q235）等仿真需要的基本信息。定义好后如图3所示。最后模型校检结果：样机模型包括24个零件，7个圆柱副，25个转动副，一个固定副。图2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，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)(minmmL全伸长度)(maxmmL最大行程)(mm动臂转动缸401800399动臂缸12001870670斗杆缸10401500460铲斗缸12752020745转向缸530850320接头缸119018006101.3挖掘阻力的确定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。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3-27求得：DBAZX)-R(CF.351maxmax1cos1[1]（1-1）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；max——挖掘过程中铲斗总转角的一半，取max=45°B——切削刃宽度影响系数，bB26.11，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=1.3Z——带有斗齿的系数，Z=0.75X——斗侧壁厚度影响系数，sX0.031，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=9.8kN带入数值求得max1F=20.6kN试验表明法向挖掘力max1ma22.0FFx=4.12kN。2.铲斗插入土堆后，将进行扒渣动作，其扒渣阻力F由几部分组成wsFFFFd(1-2)dF——堆积土堆的移动阻力sF——斗内侧壁与土壤的摩擦阻力wF——斗外侧壁与土壤的摩擦阻力其中21dddFFF(1-3)1dF——土壤与斗内底的摩擦力，N2dF——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tgbtRFd01745.01(1-4)式中R——挖掘半径，M，取R=1.3;——铲斗瞬时回转角，°取max=45;t——挖掘深度，M，取t=1;——土壤的密度，3/MKN按砂石密度计算17.6tg——砾石与钢的摩擦系数，取0.3计算得1dF=5.12kN被推移土体重力造成的摩擦力cdKtgVF/maxmax2(1-5)maxV——扒进砾石的最大体积，3M，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maxV=2.16，tg——砾石的内摩擦系数，取0.99，计算得max2dF=27.6kN21dddFFF=32.72kN斗内侧壁与土壤的摩擦阻力：bcwswKtgtbAKF/2(3-32)式中sK——侧压系数，取0.2，wA——斗内侧面积，2m，通过计算取0.32，b——铲斗长度，m，取1，cK——松散系数，取1.4计算得wF=434.8N斗外侧壁与土壤的摩擦阻力：bcsssKtgtbAKF/2(3-33)sA——斗外侧面积，2m，取0.32计算得sF=434.8N由(1-2)得到铲斗插入土堆后切削阻力wsFFFFd=33.59kN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1ITC312-H4挖装机动臂模型图1ITC312-H4挖装机斗杆模型将建好的模型导入ansys中，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1Q235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