矿用装载机铲斗有限元强度分析

吴卫萍

（广东松山职业技术学院，广东韶关512126）

矿用装载机铲斗有限元强度分析

吴卫萍

（广东松山职业技术学院，广东韶关512126）

建立了矿用装载机三维模型，并分析铲斗的受力情况，针对铲斗插入、铲取和提升3个不同阶段，在ABAQUS有限元分析软件中完成了不同边界条件和载荷的施加，得到装载机铲斗的受力分布规律，输出了铲斗不同工作状态下的等效应力云图和等效位移云图。结果表明，铲斗的最大等效应力和最大等效位移均在铲取阶段，插入阶段的应力和位移最小，提升阶段的应力和位移介于两者之间。

矿用装载机；铲斗；强度分析

0 引言

装载机是机械应用中十分常见的大型机械，具有生产效率高、可靠性高、工作环境广、操作简单等优点，已广泛的应用于煤炭、矿山开采、道路基础设施建设、水利水电施工、国防建设和公用性基础设施建设等场合［1－3］。装载机的主要工作部件由铲斗、摇臂、连杆、动臂及配套的液压缸装置构成［4］。在工作过程中，铲斗是完成整个工作指令的执行部件，主要靠铲斗的斗齿和土壤、岩石等发生切削作用，将土壤等铲入铲斗内完成整个动作指令。铲斗在整个工作过程中易受到较大的冲击外力，在和坚硬物体的接触滑移过程中容易造成剧烈的磨损［5－6］。所以，铲斗直接影响着整个装载机的性能与寿命，本文针对装载机铲斗的强度进行了分析。

由于装载机铲斗的重要性，国内外都投入了大量的人力、物力、财力对其工作部件的可靠性及寿命进行了研究。本文主要以常用的矿用装载机为研究对象，首先建立矿用装载机的三维模型，并运用ABAQUS有限元分析软件对其在实际工况下的应力和位移进行了仿真分析，得到了矿用装载机铲斗在整个工作过程中的受力分布情况，总结出其易磨损及疲劳损坏的区域，为铲斗结构的优化设计提供了一定的理论依据。

1 装载机模型的建立及受力分析

1．1 模型建立

在三维建模软件中建立装载机模型如图1所示。图中1为铲斗，是整个装载机的执行机构，也是整个工作中的受力构件；2为动臂，可实现铲斗的提升和降低功能，是传递机构；3为动臂液压缸，主要给动臂提供动力源；4为摇臂液压缸；5为摇臂，该机构可在液压缸的带动下完成铲斗的转向，完成土壤等的装载和倾倒工作，6为连杆，主要连接铲斗和摇臂。

图1 装载机模型

1．2 铲斗受力分析

如图2所示，为铲斗的实际受力情况。在铲斗的工作过程中，主要受到物体的切削阻尼F1，物体和铲斗间的摩擦力F2和物体及铲斗自身的重力F3作用。

图2 铲斗受力情况

一般情况下，装载机的受力过程主要分为初期水平插入阶段、后期水平插入阶段、初期提升阶段和后期提升阶段。由于装载机铲斗工况极为复杂，本文主要计算了装载机铲斗在极端工况下的受力情况，考虑最大受力情况下铲斗的变形情况，本文对铲斗的工作过程选取插入阶段、铲取阶段和提升阶段进行分析，这里铲斗所受的最大水平载荷由装载机的最大牵引力决定，最大负载则由铲斗和物体的自重决定。

2 铲斗有限元强度分析

2．1 有限元分析步骤

首先，在solidworks软件中完成整机的建模和装配工作，考虑极端工况并计算出铲斗的最大受力；将铲斗的三维模型保存为“．x＿t”格式的中性文件，导入到ABAQUS软件中为进行铲斗的强度分析做准备。有限元分析主要分为前处理、分析计算、后处理3个主要步骤。本文中的前处理包括定义分析材料属性、定义分析步、施加载荷条件及约束、进行网格划分等。

2．2 铲斗材料属性

考虑到铲斗在工作过程中的剧烈磨损和冲击力，斗齿和底刃部分选择具有高耐磨性和高屈服强度的20CrMnMo材料，其余部分均选择16Mn材料，各材料的力学性能见表1所示。

表1 各材料力学性能

2．3 边界条件及载荷施加

考虑到铲斗的最大受力，在此需要限定铲斗耳板处4个销孔x、y、z3个方向的移动和转动自由度［7］。本文选取某煤矿用装载机常用工况，即取铲斗底刃上的水平载荷为150kN，取提升时的铲斗最大垂直载荷158kN，由于侧刃、侧板所受的切削力和垂直重力相对较低，暂不考虑其受力情况。

2．4 有限元网格划分

网格划分是有限元分析中特别重要的环节，网格划分得好坏直接影响计算结果的准确与否。综合考虑运算时间和计算精度，以网格的最大尺寸为125mm，最小为3mm进行四面体网格的自动划分。并对应力梯度变化较大的部分进行网格再划分，得到的铲斗有限元模型共有311 240个节点，178 526个单元，其有限元模型如图3所示。

图3 铲斗有限元模型

3 分析结果

图4～5分别为铲斗在插入过程中的应力云图和位移云图；图6～7分别表示铲斗在铲取物体阶段的应力云图和位移云图；图8～9分别为铲斗将物体提升阶段的应力云图和位移云图。表2为有限元分析得到的各个阶段铲斗的最大等效应力和最大等效位移值。

图4 铲斗在插入阶段应力云图

图5 铲斗在插入阶段位移云图

图6 铲斗在铲取阶段应力云图

图7 铲斗在铲取阶段位移云图

图8 铲斗在举升阶段应力云图

图9 铲斗在举升阶段位移云图

表2 铲斗最大应力及位移

从图4、图6、图8可以看出，铲斗在插入、铲取和提升作业阶段，其最大应力分布均主要集中在耳板下部与铲斗结合部位；在插入阶段，铲斗的斗齿相对于其他两个阶段有较大的应力分布，但相对耳板处而言该应力较小。通过后处理结果可知插入阶段的最大等效应力为103．8MPa，铲取阶段的最大等效应力为230．1MPa，提升阶段的最大等效应力为195．4MPa，由最大应力数值可知，在铲取作业阶段具有最大的等效应力，插入作业阶段具有最小的等效应力，而提升阶段的最大等效应力介于插入和铲取之间。仿真结果的最大等效应力分布和实际情况中铲斗易损伤部位接近，表明仿真计算结果具有一定的准确性。

从图5、图7、图9可以看出，3个工作阶段的最大位移均出现在斗齿的中央和底板的前半部分区域，铲斗插入阶段的最大位移量为7．06mm，铲取阶段的最大位移量为17．39mm，提升阶段的最大位移量为12．02mm，三者的最大位移量均在许可的范围内，且铲取阶段具有最大位移量，插入阶段具有最小位移量，提升阶段位移量介于两者之间。通过以上分析，可通过在底板部位增加一定数量的加强筋以提高底板的强度。

强度校核根据强度校核的计算公式［8］：

其中，σlim取铲取阶段的最大等效应力，计算可得［σ］＝243．1MPa＞σmax＝230．1MPa。从该强度校核结果可知铲斗设计的强度满足使用要求。从位移量来说，铲斗的最大位移量为17．39mm，总体变形量不大。总的来说，铲斗耳板部位、铰接处和斗齿部位应力较大，其余部位应力较小且都低于许用应力。

4 结语

建立了整个装载机三维模型，对铲斗进行了相应的简化，分析了铲斗的受力情况，在ABAQUS软件中，针对铲斗的插入、铲取和提升阶段，完成了3种不同工况的边界条件和载荷施加，得到了其有限元最大应力云图和最大位移云图。通过有限元分析，得到最大应力部位与实际情况下易损部位接近，为了提高铲斗使用寿命，可在底板背面增加一定数量的加强筋以提高底板的强度，可增加耳板厚度以提高其强度，从而提高矿用装载机设计、分析、优化及疲劳寿命。

［1］李爱峰，高素荷．WK－35矿用挖掘机铲斗结构特性分析研究［J］．煤矿机械，2012，33（1）：107－109．

［2］李燕，李建伟，杨玉娇．基于ABAQUS的液压反铲挖掘机斗杆的有限元分析［J］．煤矿机械，2010，31（2）：71－74．

［3］石沛林，徐冠林，张立荣．ZL50型装载机铲斗的应力分析与结构优化设计［J］．工程机械，2008，39：29－24．

［4］张倩，单忠德，邹爱玲，等．基于ANSYS Workbench的装载机铲斗有限元分析［J］．起重运输机械，2013，12：71－75．

［5］曾庆强，秦四成，赵腾云，等．装载机铲斗铲掘过程受力分析［J］．工程机械，2011，42：18－23．

［6］李志虎．基于CAE挖掘机铲斗的力学及运动学分析［J］．桥隧施工与机械，2015，9：89－84．

［7］石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析实例详解［M］．北京：机械工业出版社，2008．

［8］周开勤．机械零件设计手册［M］．北京：高等教育出版社，2001．

The Finite Element Strength Analysis of Mine Loader Shovel

WU Wei－ping
（Guangdong Songshan Polytechnic College，Shaoguan Guangdong512126，China）

The three dimensional model of mine loader shovel has been established and the stress situation of shovel has been analyzed．Aiming at the three different steps of shovel insertion，shovel and lifting，the dif－ferent boundary conditions and loads have been finished by applying ABAQUS finite element analysis software，and the stress distribution of loader shovel has been obtained．The equivalent stress and displacement under different conditions were exported．The results show that both the maximum equivalent stress and displacement have been obtained at the shovel stage．The stress and displacement are the smallest at the insertion stage，and the stress and displacement at the lifting stage are between the insertion stage and shovel stage，which can provide the reference and suggestion for further optimization of loader shovel．

mine loader；shovel；strength analysis

TH243

A

1009－8984（2016）02－0042－04

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．010

2016－04－08

吴卫萍（1979－），女（汉），河北丰润，讲师主要研究机械设计及自动化。