矿用装载机铲斗有限元强度分析

10/31 42-45长春工程学院学报（自然科学版# 2016年第17卷第2期J.Changchun In st.T e c h. (N at.S c i.E d i. )，2016，V o l. 17，N o. 2ISSN 1009-8984CN 22-1323/Ndoi:10. 3969/.issn. 1009-898). 2016. 02. 010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)摘要：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A B A Q U S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。

关键词：矿用装载机；铲斗；强度分析中图分类号：T H243 文献标志码：A0引言装载机是机械应用中十分常见的大型机械，具 有 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 合[1c3]。

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 土壤、岩 切削作用，将土壤等铲入铲斗内完 动作指令。

铲斗 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 剧烈的磨损[5c6]。

，铲斗直接 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 研究对象，首先建立矿用装载机的三维模型，并运用A B A Q U S有限元分析软件对其在实际工况下的应力和位移进行了 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 坏的区域，为铲斗结构的优化设计提供了一定的理论依据。

收稿日期％016— 04 — 08作者简介：吴卫萍（1979 —），女（汉），河北丰润，讲师主要研究机械设计及自动化。

文章编号！009-8984(2016)02-0042-041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'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。

1.铲斗动臂动臂液压缸；4.摇臂液压缸'.摇臂连杆'.连杆机构图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。

吴卫萍：矿用装载机铲斗有限元强度分析43一般情况下，装载机的受力过程主要分为初期水平插入阶段、后期 插入阶段、初期提升阶段和期提升阶段。

由于 铲斗工况 复杂，本文主要计算了 铲斗 端工况下的受力情况，考虑最大受力情况下铲斗的 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 由装载机的最 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'铲斗的三维模型保 /Q_t”格式的中性文件，到A B A Q U S软件 进行铲斗的 分析做准备。

有限元分析主要分 、分析计算、后处3个主要步骤。

本文中的 定义分析材料属性、定义分析步、施 件及约束、进行网格划分等。

20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 刃部分选 有高耐磨性 屈服强度的20C rM nM o材料，其余部分均选择16M n材料，各材料的力学性 1所示。

表1各材料力学性能材料弹性 ：泊松比*屈服强度抗拉强度密度/ E/G Pa ff/M Pa"/M Pa kg i m—320CrMnMo2100. 388511757. 85X109 16Mn2060. 33456607. 9X1092.3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、^、z3个方向的移动和转动自由[7]。

文选取 用 常用工况，即取铲斗底刃上的 150 k N，取提升时的铲斗最直 158k N，由于侧刃、 受的切削力直重力相对较低，暂不考虑其受力情况。

2.4有限元网格划分网格划分是有 分析中特别重要的环节，网格划分 坏直接 计算结果的准确与否。

综合考虑运算时间和计算精度，以网格的最大戶125 mm，最小为3 m m进行四面体网格的自动划分。

并对应力 化 的部分进行网格再划分，得到的铲斗有共有311240 点，178 526个单元，其有 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 示铲斗在铲取物体阶段的应力云图和位移云图；图8〜&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 分析得到的 阶段铲斗的最 应力和最 $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44长春工程学院学报（自然科学版#2016，17(2)图-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（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工作阶段最大等效应力/M Pa最大位移/mm 铲斗插入阶段103. 87. 06铲斗铲取阶段230. 117. 39铲斗提升阶段195. 412.02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 应力 &结果可知插入阶段的最 应力为103. 8 M Pa，铲取阶段的最 &效应力为230. 1M Pa，提升阶段的最大等效应力为195. 4 M Pa，由最大应力数值可知，在铲取作业阶段 有最 的应力$插 作 阶段 有最 的应力，而提升阶段的最 应力介于插入和铲取之间。

结果的最 应力分布和实际情况铲斗 部位接近，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的部分区域，铲斗插入阶段的最大位移量为7. 06 mm，铲取 阶段的最大位移 17. 39 mm，提升阶段的最大位移量为12. 02 mm，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 分析，部位 一定 的加筋以提 的&的计算公式[8] %[d]C5"l i m/ [S]^^0"m a x。

（1)^im取铲取阶段的最大等效应力，计算可 得[]=243. 1M Pa>d m a x=230. 1M Pa。

从该强度 结果可知铲斗设计的强度满足使用要求。

从位 移 说，铲斗的最大位移 17. 39 mm，总体变形。

总的来说，铲斗 部位、铰接 斗齿部位应力较大，其余部位应力 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A B A Q U S软 件中，针对铲斗的插入、铲取和提升阶段，完成了 3工况的 件 施加，得到了其有限最 应力 图最 位移 图。

有 分 析，得到最大应力部位与实际情况 部位接近，了提高铲斗使用寿命，面 一定数的筋以提 的强度，厚 ：提 ，从而提 用 设计、分析、优化及疲劳寿命。

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