基于CAE挖掘机铲斗的力学及运动学分析

2015-11-16李志虎

筑路机械与施工机械化 2015年9期

李志虎

摘要：运用计算机辅助工程技术对挖掘机铲斗的斗齿进行受力分析，利用ANSYS Workbench软件建立铲斗力学模型，完成铲斗的有限元分析，得到铲斗的优化结构；利用ADAMS/View模块对挖掘机的工作装置进行动力学分析，得到铲斗斗齿的受力曲线和运动轨迹。结果表明：在不破坏铲斗样机的情况下，运用计算机辅助工程技术能够模拟铲斗的受力情况，节约企业生产成本，为挖掘机的实际生产提供一定的理论依据。

关键词：铲斗斗齿：受力分析；有限元分析；应变情况

中图分类号：U415.51文献标志码：B

Mechanics and Kinematics Analysis of Excavator Bucket Based on CAE

LI Zhihu

（Transport Administration of Inner Mongolia Autonomous Region， Huhhot 010020， Inner Mongolia， China）

Abstract： CAE was applied to carry out the force analysis of excavator bucket teeth， and a mechanical model of the bucket was built with ANSYS Workbench. The finite element analysis of the bucket was finished based on the result of the force analysis， and an optimized structure was obtained. Kinematics analysis of the working device of excavator was conducted with View module of ADAMS， and the force curve and trajectory of the bucket teeth was found. The results show that without breaking the bucket prototype， using CAE to simulate the force condition of the bucket can lead to production cost saving.

Key words： bucket teeth； force analysis； finite element analysis； strain condition

0引言

挖掘机的作业过程是利用铲斗的斗齿切削土壤，并将被切掉的土壤放入铲斗内，当铲斗装满土后，再利用液压缸把铲斗提升到指定位置，然后回转至指定地点将土壤卸掉。在作业过程中，挖掘机的铲斗是完成挖掘作业的执行部件，其性能好坏直接影响着挖掘机的工作效率，工作部件的可靠性严重影响挖掘机的使用寿命[1]。鉴于挖掘机铲斗的重要性，国内外挖掘机制造商均投入大量的人力、物力和财力来研究其工作部件的可靠性和耐用性[2]。本文通过计算机辅助工程（CAE）技术的应用，以ANSYS和ADAMS软件作为分析平台，对挖掘机的铲斗进行静力学和动力学分析，为设计、制造挖掘机铲斗提供相关的理论参考。

1建立铲斗的力学模型

相似性原理是指两台挖掘机在已知尺寸、参数相似的条件下，假设一个或几个相关参数，或者简单的物理模型，来确定其他参数的相似系数，并列出参数的相关物理关系式，然后通过对原模型和所求模型的相应参数进行对比，求出相应的数值[3]。

本文以小松PC3007挖掘机作为参考模型，其主要设计参数如表1所示。根据上述相似性方法来确定挖掘机的各零部件的参数[4]。

根据小松PC3007挖掘机的具体参数，利用Solidworks软件建立挖掘机各零部件的三维模型，并把各零部件三维模型组装成挖掘机的整体模型，

表1小松PC3007挖掘机主要设计参数

参数名称参数数值

工作重量/kg31 200

额定功率/kW245

标准斗容/m31.4

性能

尺寸

工作范围最大行走速度/（km·h-1）高速

中速

低速

铲斗挖掘力（最大）/kN

斗杆挖掘力（最大）/kN

全长/mm

全宽/mm

全高/mm

最大挖掘高度/mm

最大卸载高度/mm

最大挖掘深度/mm

最大垂直挖掘深度/mm

最大挖掘半径/mm

在地平面的最大挖掘半径/mm6.5

4.5

3.2

23 100

17 400

11 140

3 190

3 280

10 210

7 110

7 380

6 480

11 100

10 920

如图1所示。

图1挖掘机三维模型

2铲斗的有限元分析

2.1铲斗斗齿的受力分析

铲斗斗齿对土壤的切削力和土壤对斗齿的切削阻力是一对作用力和反作用力。如图2所示，铲斗斗齿切削刃的几何关系中，γ为前角，α为后角，δ为切削角，β为楔角，满足δ=α+β；b为切削刃的宽度；h为切削层厚度[5]。endprint

图2铲斗斗齿切削刃的几何关系

由表1可知，铲斗最大挖掘力为226.38 kN，铲斗斗齿为5个，分担到各齿的切向切削力PC=22638/5=45.276 kN。通过SolidWorks三维软件中的质量属性，得到包括大臂、小臂、工作油缸等部件的质量为6 038 kg，换算成重量W=59172 kN。则纵向切削力PW=W/5=59172/5=11834 4 kN。

2.2铲斗的有限元分析

ANSYS Workbench软件是新—代的CAE分析环境和应用平台。ANSYS Workbench包括分析工具Design Simulation、CAE建模工具Design Modeler和优化分析工具Design Xplorer。

根据国家标准GB 9141—88中关于液压挖掘机结构强度的试验方法，利用ANSYS Workbench软件对挖掘机铲斗进行模拟仿真。首先，设定铲斗的材料为结构钢（Structural steel），材料密度为785×103 kg·m-3，泊松比为03，杨氏模量为20×1011 Pa；其次，选择单元为10节点的四面体单元（Solid 186）作为铲斗的实体模型；最后，用ANSYS Workbench软件对每个铲斗斗齿进行力的约束和加载。约束铲斗与斗杆部件连接时，仅留出Y轴转动的自由度。加载的参数为：切向切削力PC=45276 kN，纵向切削力PW=11834 kN，铲斗的约束及加载情况如图3所示。

图3铲斗的约束及加载情况

图4铲斗优化后的应力

图4为铲斗的应力情况，其最大值为25897 MPa。铲斗的材料为50Mn，屈服强度为390 MPa，此时应力的最大值为22426 MPa，小于屈服强度，故铲斗的应力满足实际要求[6]。

图5为铲斗的应变，可以看到：应变程度最大的部位是位于铲斗最左侧和最右侧的斗齿，最大变形量为6748 5 mm；此外，各斗齿的应变量分布不均匀。

图5铲斗的应变

2.3铲斗的结构优化

为了解决斗齿应变集中的问题，使应变平均分布到各个斗齿上。首先，增加一个斗齿，并重新对斗齿的应变进行分布，使铲斗左右两侧的第一个斗齿与铲斗两侧壁之间保持一定的距离；其次，以每5 mm作为一个试验距离，对铲斗受力情况进行不断试验，最终推算出，当第一个斗齿与铲斗内壁间距为40 mm以及斗齿间距为80 mm时，铲斗的应变分布均匀。图6为优化后铲斗的应变，通过结构优化，铲斗最大应变值由6748 5 mm 下降到3687 7 mm，应力变形分布趋于平均和合理。

图6铲斗优化后的应变

3铲斗斗齿的运动轨迹仿真

3.1铲斗斗齿的运动学理论分析

挖掘机工作装置的几何位置是由动臂缸的长度L1、斗杆缸的长度L2和铲斗缸的长度L3 确定的。当L1、L2和L3为不同特定值时，反铲工作部件会处于不同的工作位置。液压挖掘机工作装置是一组典型的平面连杆结构。铲斗的斗齿作为挖掘机与土壤接触切削的直接承受力的部件，主要承受土壤的切削力和土壤对斗齿的切削阻力。选择一个斗齿的齿尖作为研究对象，可以反映挖掘机铲斗挖掘工作时的受力情况。

假设铲斗斗齿尖点的坐标值分别为XV和YV，函数L1、L2、L3由XV和YV表示[7]，如图7所示。由点F可推出

α32=∠CFN=2π-α3-θ2-α4-α5（1）

由点N可推出

α33=∠CNQ=π-α7-α8-arccosl216+l228-L212l16l28（2）

由点Q可推出

α34=∠CQV=2π-α10-α24-α28-

arccosl221+l223-l2282l21l23（3）

如图7所示，点F、N、Q三点共线。此时α7=α8=0。

图7斗齿尖的坐标

由三角形CNQ可得

l23=CQ=l228+l221-2l28l21cos α33（4）

综上所述可求得

XV=l30+l37cos（α21-α34-α36）（5）

YV=l19cos α12+l37sin（α21-α34-α36）（6）

3.2铲斗斗齿的运动学模拟仿真

虚拟样机仿真软件ADAMS是对机械系统运动学和动力学进行仿真分析的软件。根据以上对挖掘机主要工作部件的运动学理论分析，在动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸上加载移动副；在驾驶室、铲斗、动臂、斗杆各铰点上加载转动副；在铲斗摇杆与铲斗油缸的连接处加载球铰副；在斗杆与斗杆油缸连接的铰点位置加载平行副。在动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的移动副上添加滑移驱动，设置一定的运动参数；在驾驶室与地面间的转动副上添加旋转驱动，设置一定的运动参数。

利用运动学理论分析，计算出挖掘机在ADAMS软件中的STEP函数。挖掘机工作装置中具体的STEP运动参数情况如下。

滑移驱动添加到动臂油缸的移动副上的运动参数为026·sin（time）。驾驶室旋转的运动参数为（STEP（time，00，00，20，00）+STEP（time，28，00，38，15））。斗杆油缸的运动参数为（STEP（time，00，00，5，06）-STEP（time，09，00，14，03）+STEP（time，14，00，16，015））。

铲斗油缸的运动参数为（STEP（time，00，00，05，05）-STEP（time，09，00，14，04）+STEP（time，14，00，16，01）+STEP（time，38，00，48，07））[8]。

在每个铲斗斗齿内侧的两个端点建立Marker点，其坐标值分别为Marker_1039（-0392 511 m，-0038 937 m，1657 526 m）、Marker_1040（-0292 056 m，endprint

-0038 937 m，1657 526 m）、Marker_1041（-0221 256 m，-0038 937 m，1657 526 m）、Marker_1042（-0120 806 m，-0038 937 m，1657 526 m）、Marker_1043（-0050 006 m，-0038 937 m，1657 526 m）、Marker_1044（0054 494 m，-0038 937 m，1657 526 m）、Marker_1045（0121 04 m，-0038 937 m，1657 526 m）、Marker_1046（0221 49 m，-0038 937 m，1657 526 m）、Marker_1047（0292 362 m，

-0038 937 m，1657 526 m）、Marker_1048（0392 821 m，-0038 937 m，1657 526 m），共10个Marker点。为每个Marker点加载切削阻力PC和纵向切削力PW，受力方向与铲斗在挖掘土壤时斗齿所受到的土壤的反作用力相同，如图8所示。

图8铲斗在ADAMS/View受力的加载

为研究铲斗的运动轨迹，将斗齿齿尖点（Marker_1046（0221 562 m， -0038 937 m， 1657 535 m））作为研究对象，分析铲斗在挖掘过程中的运动轨迹以及该点的受力、位移等情况。通过ADAMS/View软件菜单选择Review→Create Trace Spline，然后选择Marker_1046点，最后选择大地（ground）作为参考系，经过仿真计算得到挖掘机铲斗的运动轨迹AG，如图9所示。

图9挖掘机铲斗的运动轨迹

曲线AG为铲斗各运动组合的轨迹。其中AB曲线为铲斗最初收斗的状态转化为伸开斗的运动轨迹；BCD曲线为铲斗下降开始挖掘的运动轨迹； DEF曲线为端正准备移出挖掘坑穴的运动轨迹； FG曲线为铲斗卸除物料的运动轨迹[912]。

为了研究铲斗斗齿受到切削阻力的变化情况，通过ADAMS分析软件得到斗齿的切削阻力PC和纵向切削阻力PW随时间变化在X、Y、Z轴上对应的分力，如图10、11所示。

图10斗齿受到切向阻力PC作用时在X、Y、Z 轴的分力

图11斗齿受到切向阻力PW作用时在X、Y、Z 轴的分力

由图10可知，铲斗挖掘时斗齿受到的切向阻力PC在挖掘机铲斗切削土壤275 s时，X轴上的最大受力值为40 000 N；铲斗挖掘机刚接触地面时切向阻力PC在Y轴上的最大受力值为45 000 N，铲斗挖掘机切削土壤275 s时，切向阻力PC在Z轴上的最大受力值为17 500 N。

由图11可知，铲斗挖掘时斗齿受到纵向切削阻力PW在挖掘机铲斗切削土壤14 s时，X轴上的最大受力值为6 000 N；铲斗挖掘时斗齿受到纵向切削阻力

PW在挖掘机铲斗切削土壤025 s和125 s时，Y轴分力呈现2个波谷，波谷谷值是在的最大受力值为-14 000 N左右；铲斗挖掘时斗齿受到纵向切削阻力PW在挖掘机铲斗切削土壤05 s时，Z轴上的最大受力值为11 000 N。

4结语

运用计算机辅助工程（CAE）技术，对挖掘机铲斗进行仿真分析，并对每个斗齿的受力情况进行了研究。同时，运用ANSYS Workbench软件完成对铲斗的静力学分析，通过对铲斗结构的优化得到铲斗的优化结构。运用ADAMS/View软件模块对挖掘机工作装置作了动力学分析，同时对每个斗齿的

受力情况进行了研究，得出斗齿的受力曲线和运动轨迹。在不破坏铲斗样机的情况下，运用计算机辅助工程（CAE）技术，模拟挖掘机铲斗样机在挖掘作业时的受力情况，既节约了企业生产成本，又为挖掘机的实际生产提供一定的理论指导依据。

参考文献：