装载机动臂的应力分析

刘颖莉，文学洙

（延边大学 机械工程学科，吉林 延吉 133002）

0 引言

轮式装载机是一种作业效率高且广泛运用的工程机械，它能对散装物料进行铲装、搬运、卸载、平整等作业，也能对硬土、岩石进行轻度铲掘工作［1］。动臂是装载机工作装置的主要的结构部件，是铲斗和摇臂重要的结构支撑件［2］。它的强度状况对装载机工作装置的性能及寿命有着非常重要的影响。为了更好地了解装载机动臂的应力分布情况，本文对有筋板的动臂和无筋板的动臂进行了应力分析。

1 工况的选择

1）因为物料种类和作业条件等不同，装载机在实际工作时，铲斗不可能受均布载荷，但为了计算方便简化成以下两种极端情况：（1）沿切削刃均匀分布的载荷，以作用在铲斗切削刃中部的集中载荷来代替其均布载荷，称其为对称受载；（2）在切削刃上受到的非均布载荷，以作用在铲斗侧边的第一斗齿上的集中载荷来代替，称其为偏载［3］。

2）装载机的铲掘过程通常可分如下三种受力情况：

（1）铲斗水平插入料堆，且工作装置的各个油缸闭锁，此时只受水平作用力。

（2）铲斗水平插入料堆以后，翻转铲斗或提升动臂进行铲掘时，只受垂直作用力。

（3）铲斗边插入边翻转铲斗或边插入边提升动臂铲掘时，同时受水平作用力与垂直作用力。

综上所述，动臂有6 种典型工况，分别是水平对称工况、水平偏载工况、垂直对称工况、垂直偏载工况、水平垂直对称同时作用工况（简称正载工况）、水平垂直偏载同时作用工况（简称偏载工况）。其中偏载工况下受力最大，因此本文以偏载工况为例，对装载机动臂进行应力分析。

2 动臂三维模型的创建

虽然ANSYS 有其自建模功能，但建模功能有限。而Pro/E 是一款很简便的三维绘图软件，其功能简单，思路清晰，因此本文利用Pro/E，根据装载机实际尺寸创建了动臂三维模型，其模型如图1 所示。

图1 装载机动臂模型

将模型导入到ANSYS 中，因为动臂模型结构相对简单，因此采用中间数据格式，即将Pro/E 中的模型保存为IGES 格式，再将模型导入到ANSYS 中。

3 装载机动臂有限元分析前处理

1）单元类型。动臂是由动臂板、横梁、耳板、筋板等焊接而成的，本文采用SOLID95 实体单元作为分析的单元类型。动臂的材料为16Mn，密度为7.8×103kg/m3，弹性模量为2.07E11Pa，泊松比为0.3，屈服极限是343 MPa。

2）划分网格。网格的划分方法主要有自由网格划分，映射网格划分，拖拉、扫掠网格划分及混合网格划分。本文选择自由网格划分。

3）施加位移约束及载荷。

（1）定义动臂分析类型。在此工况下，假设动臂为静力分析模型。

（2）约束条件的确定。动臂与机架、动臂与动臂油缸等的连接均为铰连接，是可以相对转动的，但此种情况下，需要进行多次柱坐标系的创建及转换，容易出错。为了简化计算，对动臂与机架、动臂油缸连接处所有的自由度均进行约束［4］。具体操作方法是选取铰接处的内孔面，进行全约束。

（3）载荷条件的确定。物料对动臂的作用力是通过铲斗处的销轴传递的，销轴与孔之间的接触应力分布比较复杂，与物料种类、接触方式及配合公差等诸多因素有关，为了简化计算，假设动臂孔处所受的力为集中力［3］。即将所受外载荷以集中力直接定义到内孔表面上。具体操作方法是在内孔中心处创建一个节点，并将其与对应内孔表面上的各个节点用link8 单元连接，形成轮辐式连接，然后直接在内孔中心节点处施加集中载荷。同时由于装载机动臂自重较大，不能忽略。

4 装载机动臂有限元分析后处理

进行仿真分析，得到装载机动臂应力分布图如图2所示。

由图2（a）、图2（b）可知，装载机在此工况下，动臂板上的应力分布情况基本一致，最大应力均位于动臂与动臂油缸铰接处，无筋板动臂的最大应力为308 MPa，有筋板动臂的最大应力为317 MPa，均小于屈服极限，符合设计要求。由图2（c）、图2（d）可知，在耳板铰接处，有筋板动臂的应力分布区域比无筋板动臂的应力分布区域小。由图2（e）、图2（f）可知，在偏载一侧和耳板之间的横梁部分，应力分布区域是有筋板的比无筋板的小。其余部分基本一致。

5 结语

1）在偏载工况下，筋板对装载机动臂的动臂板的应力分布影响不大，最大应力集中点在动臂与动臂油缸铰接处；

图2 动臂应力分布图

2）在偏载工况下，筋板对装载机动臂的耳板及横梁的应力分布有一定的影响，减小了应力分布区域；

3）在偏载工况下，筋板的加入使动臂的最大应力有所增加，但是增加幅度较小，而且它改善了动臂耳板及横梁的应力集中现象。

［1］周华祥，黄磊.装载机工作装置参数化3D 建模及有限元分析［D］.太原：太原科技大学，2009.

［2］周华祥，黄磊.装载机动臂的有限元分析及改进［J］.黄石理工学院学报，2010，5（26）：12-13.

［3］王晓宁.装载机工作装置动臂框架工作状态的力学分析［D］.济南：山东大学，2008.

［4］杨占敏，王智明，张春秋，等.轮式装载机［M］.北京：化学工业出版社，2005.