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液壓挖掘機是工程機械的主要產(chǎn)品之一，具有較高的技術(shù)含量，它被廣泛應(yīng)用于礦山開采、道路施工、國防建設(shè)、農(nóng)用水利等基本建設(shè)之中。鏟斗是挖掘機工作裝置(鏟斗、斗桿、動臂)3大部件之一，是主要承載件。在挖掘過程中，鏟斗直接承受很大外力，鏟斗與礦巖的接觸滑移，造成鏟斗激烈的磨損。作業(yè)環(huán)境的狀況也對鏟斗的強度和變形在一定程度上造成很大影響。因此，鏟斗結(jié)構(gòu)性能的好壞對挖掘機工作的影響非常重要。目前，在國內(nèi)液壓挖掘機設(shè)計中，對斗桿和動臂的應(yīng)力分布進(jìn)行分析較多，而對鏟斗的應(yīng)力分布規(guī)律研究得較少。下面結(jié)合挖掘機的實際作業(yè)工況，對挖掘機鏟斗在受力最大的典型工況下挖掘時進(jìn)行強度分析和變形分析，為挖掘機鏟斗設(shè)計提供理論依據(jù)。
1、強度分析模型的建立
1.1、分析方案及條件
利用有限元進(jìn)行強度分析的過程是：前處理，建立幾何模型，將幾何模型理想化，施加材料參數(shù)和載荷約束條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分；通過軟件進(jìn)行有限元分析計算；后處理，將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示，也可將結(jié)果以圖、表、曲線形式顯示或輸出。使用Pro/MECHANICA模塊，可以將幾何模型轉(zhuǎn)換成有限元模型進(jìn)行分析求解，并以圖形方式顯示分析結(jié)果。
首先，在Pro/E模塊中對鏟斗進(jìn)行三維造型，其次以鏟斗受力最大的工況，計算出有限元強度分析的載荷數(shù)據(jù)，最后應(yīng)用Pro/MECHANICA模塊對鏟斗進(jìn)行強度分析。
1.2、有限元分析模型的建立
根據(jù)已知的尺寸數(shù)據(jù)，在Pro/E中進(jìn)行挖掘機的鏟斗三維實體造型，為方便劃分網(wǎng)格，在對結(jié)果不產(chǎn)生影響的情況下，對結(jié)構(gòu)和模型進(jìn)行簡化，得到分析所用的實體模型。
1.3、材料條件的確定
挖掘機鏟斗兩側(cè)板采用的材料是20CrMnMo，其它部分所采用的是16Mn。采用20CrMnMo。主要是為了耐磨和抗疲勞，根據(jù)以往經(jīng)驗可知，危險位置不在側(cè)壁，因此分析時整體采用16Mn，20CrMnMo的各項性能指標(biāo)均優(yōu)于16Mn，所以這樣不但不影響分析結(jié)果，還簡化了分析過程。
1.4、載荷計算
對挖掘機鏟斗進(jìn)行強度分析時，分析采用的工況必須是有限元模型受力最大的危險工況。根據(jù)挖掘機的連接情況，使用Pro/MECH A NICA MOTION模塊對其進(jìn)行動力學(xué)分析，利用Pro/MECHANICA MOTION模塊的運動仿真功能，模擬鏟斗的運動情況，求出了鏟斗受力最大的工況。鏟斗的受力主要是挖掘力、鏟斗內(nèi)土的重力和鏟斗自身的重力。鏟斗的挖掘力可以采用Pro/MECHANICA MOTION的運動分析模塊，對鏟斗進(jìn)行動力學(xué)分析，計算出各個狀態(tài)下的鏟斗挖掘力的受力情況，并輸出鏟斗受力圖表。分析發(fā)現(xiàn)，鏟斗受力最大發(fā)生在動臂處在最低位置，動臂缸全縮斗桿缸作用力最大。用鏟斗油缸進(jìn)行挖掘時，斗齒尖、斗齒尖與斗桿交點和斗桿與動臂交點三點成一直線，斗桿油缸與斗桿尾部之問的夾角為90°，鏟斗的具體受力數(shù)值為：水平受力為83074.6 N，豎直受力為49656.6 N，重力為9039.27 N。
1.5、加載荷和確定約束條件
根據(jù)Pro/MECHANICA模塊分析可知，以挖掘機鏟斗最大受力狀態(tài)作為強度分析工況，即假設(shè)鏟斗的4個銷孔固定。挖掘機鏟斗主要承受的力是挖掘力水平分力與豎直分力的合力、側(cè)向力和重力，側(cè)向水平挖掘力側(cè)向力影響不大，在這里忽略不計。對鏟斗施加的約束和載荷，建立鏟斗的有限元分析模型。
2、有限元強度分析結(jié)果
完成了有限元分析的一系列前處理工作(準(zhǔn)備模型、添加載荷、指定邊界條件、劃分網(wǎng)格、編輯網(wǎng)格屬性、優(yōu)化設(shè)置)之后進(jìn)行計算，進(jìn)行有限元計算分析，繪制出鏟斗強度分析的應(yīng)力云圖。
從強度校核計算可知，鏟斗具有足夠的設(shè)計強度。鏟斗的變形很小，最大位移量為5.788 mm。總的來說，斗體前部斗齒、斗后壁耳板的根部、鉸接處和補強區(qū)域受到的應(yīng)力較大，但都低于許用應(yīng)力，其它部位所受應(yīng)力較小，大部分都低于100 MPa。
3、結(jié)果分析
(1)斗后壁的加強筋板是增加鏟斗剛度和提高鏟斗強度的關(guān)鍵，它不但可以大大降低斗后壁應(yīng)力，而且可以化解應(yīng)力集中，極大地提高了鏟斗抗偏載、抗超載的能力。
(2)斗體前部的斗唇部件和兩側(cè)的加強筋板對改善鏟斗的挖掘性能和提高斗體的強度都起到了不可替代的作用。
(3)鏟斗后壁耳板比其它部位的鋼板厚，從而提高了鉸接部位抗交變復(fù)雜應(yīng)力和磨損的能力。
(4)作業(yè)設(shè)備主體在挖掘過程中具有柔性，可以緩解力的作用，設(shè)備實際更偏于安全。
有限元分析的主要工作是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和分析運算結(jié)果，建立正確的有限元分析模型(幾何模型、材料參數(shù)、邊界條件和載荷條件)才能運算出正確的結(jié)果，根據(jù)對運算結(jié)果的分析，不斷發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中存在的問題，以此為依據(jù)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，為以后挖掘機設(shè)計和開發(fā)提供依據(jù)。
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