SLDQY－60型清淤机静力学分析及结构尺寸优化

胡友安，李 蓉

（河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022）

SLDQY－60型水陆两用多功能清淤机为自航全液压反铲型挖掘机械，其保留了原SLQY系列两栖式清淤机兼有的陆用单斗挖掘机和水上单斗挖泥船反铲挖掘的特点，增加了该清淤机的挖掘斗容，提高了工作效率.该机有4条机器人式的支腿，可在陆上和沼泽中仿海龟式爬行，能自由出入水域、上下河岸、上下拖车，当水深超过1.1m时，还可利用自身的螺旋桨进行自航，是一种理想的清淤机械［1］，本文以江苏省水利机械制造总厂研发的SLDQY－60型清淤机为例，应用大型通用有限元分析软件对其工作装置部分作静力分析，并对其进行船体结构尺寸优化，为其产品改进提供相关的静力学参考.

1 清淤机的有限元模型

图1所示为SLDQY－60型清淤机作业工作图.

图1 清淤机作业工作图图1 Working picture of silt-clearing machine

1.1 模型的参数及简化

SLDQY－60型清淤机的斗容为0.6m3，最大挖掘半径为11.7m，最大挖掘深度为5.5m，最大卸载高度为6.5m，作业水深≤3.1m，航行水深≥1.2m，理论生产率为90m3·h－1，整机质量（包括油料）为23.0t，过桥静空2.5m.在建立此清淤机的几何模型时，根据其结构特点，在保证力学性能不变的情况下，对清淤机进行适当简化，可忽略4条支腿、司机驾驶室等对结构的力学性能的计算影响不大的因素，只需通过加大材料密度，将质量均布在简化的模型中［2］.由于采用了简化处理，会使结果出现误差，但从简化措施来看，相当于降低了清淤机的强度和刚度，会使应力结果偏大，是一种偏安全的分析，因此是比较可靠的［3］.

1.2 模型的处理及划分网格

清淤机由铲斗、斗杆、动臂、摆杆及各自的驱动油缸，还有船体组成（如图2所示）.模型建立时需要和实际结构尽可能相一致，由于清淤机铲斗、斗杆、动臂、船体均由板与板焊接而成，形成箱型结构，因此在ANSYS建模中使用板梁单元来模拟清淤机各构件.采用Shell 63单元模拟壳体，Shell 63单元能承受平面内载荷和法向载荷，同时具备了应力硬化和大变形能力.船体上的梁均由Beam 188模拟，这种单元非常适合线性、大角度转动和非线性大应变问题，而且可以自定义截面.油缸杆均采用Link 8模拟，该杆单元只承受轴向拉力、压力，不承受弯矩，在工程中有着广泛应用.对于轴套等实体均由Solid 45单元模拟，该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的能力［4］.

铲斗、斗杆、动臂的材料均为 Q345（16Mn），其弹性模量为212GPa，泊松比为0.31，密度为7 870kg·m－3.船体的板和梁采用Q235，其弹性模量为200GPa，泊松比为0.3，密度为7 850kg·m－3.

有限元模型的求解规模、精度与划分后网格的疏密有直接的关系，而且网格划分的好坏将直接影响有限元计算的结果.清淤机模型共划分为78 663个节点，206 358个单元.坐标系选用总体笛卡尔坐标系，沿xOz平面建立模型，z轴方向为垂直向上.

1.3 有限元模型的建立

清淤机在不同的工作状态下其受力情况是不同的，采用有限元分析软件可以模拟和得到清淤机在不同工作状态下的应力和变形规律及分布趋势.分析过程包括建立符合各个工况实际结构受力状态和特点的有限元计算模型.表1为该清淤机的8种工作工况，图2和图3为该清淤机8种工况简图：

图2 清淤机前4种工况Fig.2 First four working conditions of silt-clearing machine

图3 清淤机后4种工况Fig.3 Latter four working conditions of silt-clearing machine

2 静力学分析

2.1 施加约束及载荷

由于清淤机结构的复杂，需要对特殊的节点自由度关系进行处理.要将模型中铲斗与斗杆，铲斗与连杆，连杆与摆杆，斗杆与摆杆，斗杆与动臂，动臂与支座处进行耦合处理.耦合是指几个节点自由度取相同的值，耦合自由度中包含一个主自由度和一个或几个从自由度，通过耦合在两重复节点间，可以形成销钉、铰链或滑动连接等特殊的节点自由度.用Link 8来模拟铲斗油缸杆、斗杆油缸杆和动臂油缸杆时，为保证所有轴套的受力均匀，分别对Link 8单元与轴套连接进行刚化连接.通过连接主要节点和从属节点沿指定自由度方向建立刚性线.添加完对自由度的约束后，利用施加一个和重力加速度相反方向的加速度的办法对重力场进行描述［5］.

针对不同的重点工况，在相应位置施加不同的载荷，对清淤机整体结构进行有限元静力学分析.以工况3为例，清淤机受自身重力和各油缸作用力.油缸作用力可以根据力矩平衡计算得到，其中已知铲斗挖掘力为1 900N，方向与重力相反.在计算铲斗油缸作用力时，刚化斗杆和动臂油缸；在计算斗杆油缸作用力时，刚化铲斗和动臂油缸；在计算动臂油缸作用力时，刚化铲斗和斗杆油缸.反铲工作装置采用斗杆液压缸（或铲斗液压缸）进行挖掘时所得的理论挖掘力不考虑下列因素：工作装置自重和土重；液压系统和连杆机构的效率；斗杆液压缸和铲斗液压缸的背压等［6］.

对清淤机的前后支腿座板处施加约束，约束其面上节点的x，y，z向移动及转动.

2.2 求解与分析

在载荷作用下清淤机的应力分布复杂，按第四强度理论进行强度校核，强度条件为

式中：σ1，σ2，σ3分别为3个方向的主应力.

按照机械设计手册［7］的要求，Q345（16Mn）在钢材厚度≤16mm时，屈服极限为345MPa，钢材厚度＞16～35mm时，屈服极限为325MPa.Q235在钢材厚度≤16mm时，屈服极限为235MPa.清淤机各工况最大折算应力如表2所示.由于工况3的动臂跨度最大，为较危险工况，所以选取清淤机危险工况下的应力云图如图4所示.

表2 各工况最大折算应力Tab.2 Maximum commuted stress under different working conditions

比较8种工况，动臂下铰点处的隔板均出现超过材料屈服极限的最大折算应力，说明此处的隔板不满足应力要求，需要对此处进行增加板厚的处理以避免局部应力过大.从图4可以看出清淤机在各个工况下动臂处的应力都较大，这是由于对动臂模型做了一定简化所致，实际应用中对动臂进行加强就可以改善这个问题.

图4 工况3应力云图Fig.4 Stress nephogram under working condition three

3 清淤机结构尺寸优化

由于折算应力最大处均出现在动臂与回转台连接处（动臂下铰点处的隔板），将此处的隔板从6mm增加到10mm.通过清淤机8种主要工况的分析可以看到，清淤机船体结构的应力值都小于100MPa，满足强度要求，所以对船体结构进行优化设计很有实际意义.将船体板厚从4mm减小到3mm.再减小船体骨架中主要的角钢型号，将角钢50mm×50mm×5mm减小为角钢45mm×45mm×5mm，角钢30mm×30mm×3mm减小为角钢25mm×25mm×3mm，槽钢14mm减小为 槽钢12.6mm，槽钢10mm减小为槽钢8mm，槽钢8mm减小为槽钢6mm，工字钢14mm减小为工字钢12.6mm.

3.1 优化后强度校核

再按照之前的步骤对清淤机进行静力分析来校核优化后的强度，表3列出了更改后的最大折算应力，更改后的清淤机危险工况的应力云图如图5所示.

表3 各工况最大折算应力Tab.3 Maximum commuted stress under different working conditions

图5 更改后工况3应力云图Fig.5 Stress nephogram under working condition three after change

从表3中可以看出优化改进后的应力值未发生大的改变，说明对清淤机船体结构进行优化设计是可行的.最大折算应力基本都在动臂与斗杆的铰接销轴处，这是因为减小了销轴的直径导致了销轴处应力过大.根据挖掘机工作装置用销轴的规定，清淤机销轴材料为40Cr，其屈服极限为785MPa，可见销轴的应力满足要求.

3.2 优化后刚度校核

优化后的清淤机船体部分仅满足强度要求是不够的，还需分析船体的刚度.表4所示为清淤机船体各工况优化前后的变形最大值比较.将危险工况3优化前后的变形图进行对比，图6为优化前工况3船体的变形云图，图7为优化后工况3船体的变形云图.

表4 各工况最大变形值对比Tab.4 Maximum deformation value of contrast under different working conditions mm

图6 优化前工况3的船体变形云图Fig.6 Deformation nephogram of hull under working condition three before optimization

图7 优化后工况3的船体变形云图Fig.7 Deformation nephogram of hull under working condition three after optimization

中小型船舶船体建造精度中对船型变形量的要求为：船底中心线与船台中心线偏差的标准范围为±5.0mm，船体龙骨线挠度标准范围为±20.0mm.由表4中所列的优化后的最大变形值均小于4.0mm，表明优化后的清淤机船体结构满足刚度要求.

4 结论

用ANSYS有限元软件对清淤机在典型工况下做了强度分析，根据分析结果确定了清淤机动臂的危险区域并对其作了增加板厚的改进措施.在满足强度的基础上对船体结构进行了优化设计，改进后的清淤机结构不但满足了强度和刚度要求，而且节省了材料.所得的分析数据可为清淤机的结构设计、节约成本提供一定的参考.

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