挖掘机工作装置的空间力学分析方法

侯鹏龙 陆凤仪马治宁0 前言普通挖掘机的铲斗只能单向挖掘，当复杂作业时需要频繁调整整机位置，工作效率很低。此外，挖掘机功能单一，当换装液压锤等属具时，更换过程复杂耗时。因此，部分挖掘机配备了快速更换装置，以节省更换属具的时间。倾斜旋转器安装在铲斗与斗之间，可实现铲斗等属具360 ゜旋转和左右45 ゜倾斜，以增加挖掘机作业的灵活性。倾斜旋转器下方连接快换装置可便于更换属具，使挖掘机增加更多功能。加装倾斜旋转器后，由于铲斗等属具的对称平面在工作中可能与斗杆平面不同面，从而导致对工作装置产生附加弯矩和扭矩。传统设计方法是基于工作装置在同一平面的平面力学问题，此情况下已经不再适用。对于未安装倾斜旋转器的挖掘机受力分析，史青录等考虑了偏载和横向载荷并转换为斗杆与铲斗铰接点的附加力矩和横向载荷。刘春丽等在分析挖掘机快换装置的结果分析时，未考虑由于倾斜旋转器的作用而产生的附加力矩。本文考虑了安装倾斜旋转器后，对工作装置结构和受力的影响，采用空间受力分析计算理论，推导出一套兼容平面受力分析的计算方法，提出了挖掘机工作装置杆组的划分，使得每个杆组具有类似的受力，实现了简化计算，方便编程的目标。1 基础理论和符号说明如图1 所示，理论基础是理论力学中静力学，涉及平面力系和空间力系的平衡问题。由平面力系平衡条件，可得由空间力系平衡条件，可得力对点之矩与力对通过该点轴之矩的关系为图1 挖掘机结构受力示意图图1 中，rG1 ～rG13 为重力对整体坐标系原点O 的，G1 ～G13 为挖掘机各个部件的重力，r W 为挖掘力的矢径，F W 为铲斗挖掘力。2 各部件受力分析根据工作装置的结构特点，由于安装倾斜旋转器，在使用过程中对工作装置产生的横向受力和扭矩只能承受在C、F、Q 等处，即在此情况下动臂、斗杆和铲斗为空间受力状态，其他部件为平面受力状态。对挖掘机工作装置结构分析可得到如下规律：当从铲斗往动臂方向计算各个部件的受力时，将工作装置拆分为4 个杆组[5]，如图2 所示。图2 按照受力规律拆分的4 个杆组每个杆组都由杆件（连杆、铲斗液压缸、斗杆液压缸、动臂液压缸）和核心部件（铲斗、摇杆、斗杆、动臂）组成，杆组核心部件与杆类零件通过一个铰点连接。每个杆组的受力具有一致性，具体为杆件为平面3 力平衡状态（考虑重力），杆件两端铰点的受力皆未知。核心部件为空间受力平衡状态，核心部件与杆件连接的点受力未知，各核心部件连接点的受力未知。求解方法如下：核心部件和杆件二者连接点（K、M、E、B ）的受力可分解为相互垂直的2 个分力。每个核心零部件还有一个铰接点受力状态未知，该点为核心铰点。通过对核心铰点的力矩可以建立一个核心部件的力矩平衡方程，再通过对杆件的另一个铰点建立对杆类零件的力矩平衡方程，通过联解这2 个力矩平衡方程即可求解出杆件与核心零部件铰点的未知力。此外，每个核心零部件还有一个铰接点受力状态未知，它除了承受力之外还受弯扭作用。该点除了绕铰点旋转外，还被限制5 个自由度，故未知力有5 个。对核心部件建立空间受力的平衡方程可以求出这5 个未知力及力矩。杆件另一的受力也可通过对杆件平面力系的平衡方程求得。下面以杆组1 受力分析为例，阐述前述的规律。2.1 计算K 点受力如图3 所示，取铲斗及倾斜旋转器为研究对象，对其进行受力分析。对Q 点建立力矩平衡方程式中：F K 为倾斜旋转器上K 点的受力，F W 为挖掘力。力F K 对Q 点的力矩为式中：r QK 为F K 对Q 点的。图3 铲斗杆组受力分析由于挖掘机的结构特点，除去动臂和车身、动臂和斗杆、斗杆和铲斗的铰接点为空间受力状态，其他零部件皆为平面受力状态。因此，式（11）可简化为回转挖掘力对Q 点的力矩同理，结果为回转挖掘力对Q 点的力矩同理，结果为各个部件的重力对Q 点的力矩为式中：MQ（Gi）为各个部件重力对Q 点的力矩，r Qi 为Q 点指向各个重心位置的矢量，Gi 为各个部件的重力矢量。由式（5）和式（9）得式（15）代入式（16）得第二步：对连杆HK 受力分析，如图4，连杆受力为平面力系，对H 点建立力矩平衡方程为式中： 'FK 为连杆上K 点的受力，与铲斗上K 点的受力FK 互为作用力与反作用力。考虑到连杆为平面受力，将上式代入式（19）计算得将式（20）代入式（18）得联解式（17）、式（21）求得2.2 计算H 点的受力对连杆建立力的平衡方程为解式（24）、式（25）可得2.3 计算倾斜旋转器与斗杆铰接点Q 的受力考虑到此研究对象为空间受力，对铲斗及倾斜旋转器建立受力平衡方程，由式（3）、式（4）得平衡方程有联解式（28）～式（32）可以求得图4 连杆受力分析通过以上求解就可以解出杆组1 的未知铰点力。其他的杆组的铰点力也可以用同样的步骤求出。在求动臂杆组和斗杆杆组的铰点力时，可将动臂或斗杆看成核心部件，而应用式（33）～式（37）也可将动臂、斗杆等核心构件上除连接杆之外的往铲斗方向的零部件整体看成是一个核心部件，如图5、图6 所示，这样可避免考虑中间铰点的力。图5 斗杆杆组图6 动臂杆组3 对比空间受力和平面受力的计算结果通过对空间受力状态的挖掘机工作装置的受力分析，求出各个部件的铰点力，并将就其结果进行验证。基于杆组划分具有受力相似性的特点，故只需对其中一个杆组进行验证即可。通过对用此方法计算的铲斗铲斗机构的空间受力结果与简化成平面受力的平面受力计算结果的比较，检验此方法是否正确并且能兼容平面受力计算。3.1 K 点的受力对比以铲斗挖掘工况为例，空间受力结果的通用形式为式（22）、式（23）。当为铲斗挖掘时，挖掘力可进一步写为将式（38）代入式（22）和式（23），可得铲斗挖掘时K 点的受力为平面受力结果根据参考文献[1] 可得式中： l3为Q 点和V 点的距离，lQK为Q 点和K 点的距离，为此处按照参考文献应带以负值。根据参考文献[1] 可得式中：φ QK 为Q 点指向K 点的矢量与y 轴的夹角，根据参考文献[1]，局部坐标的铰点力向全局坐标转换的矩阵为将式（41）、式（42）代入式（43）得将代入式（44）、式（45）式后化简得式中：G10、G11 为此处按照参考文献应带以负值。从表1 可以得到，空间受力计算出K 点受力可以兼容平面受力计算结果，空间受力计算中的重力项考虑了倾斜旋转器的重力，如果不考虑该结构，即未安装倾斜旋转器时，则二者结果完全相同。表1 K 点的受力对比表3.2 Q 点的受力对比空间受力结果由式（34）～式（37）所列，当铲斗挖掘时，挖掘力可具体代入式（38）得到受力结果为平面受力结果，根据参考文献[1] 可得式中：G10、G11 为此处按照参考文献，应带以。表2 Q 点的受力对比表由表2 可知，三维计算结果是考虑了铲斗偏离了工作装置对称平面后的受力，故存在绕Y 轴的力矩和绕Z轴的力矩。如果不考虑铲斗的偏离，即未安装倾斜旋转器时，G12、G13、xQV、xQi、xQV 为0，不存在对应轴的力矩，此时与平面受力结果完全相同。其他3 个杆组同样可根据第一个杆组的计算方法求得，其结果很容易证明兼容平面受力的计算。因此，通过空间受力计算可获得挖掘机工作装置不同工况不同下各部件的受力，为有限元分析提供了载荷数据。4 结论1）基于理论力学中空间力系的平衡条件，实现了挖掘机工作装置的空间受力分析，解决了其空间受力的问题，所得结果是关于挖掘机工作装置的解。2）根据挖掘机工作装置结构和受力的特点，采用划分杆组的方法将其划分为4 个杆组，通过计算其中一个杆组的受力，推导出其他杆组的受力，简化了挖掘机工作装置的受力分析计算。3）通过对空间受力和平面受力结果的比较，验证了本方法的正确性和兼容性，解决了安装了倾斜旋转器的挖掘机的空间受力分析问题，为有限元分析提供的载数据基础。4）本文的创新点在于将挖掘力和横向力看成是一个三维力，将挖掘机工作装置看成是三维结构，进行空间力学分析，得出的结论不仅适合用于普通挖掘机工作装置受力分析，还可用于加装倾斜旋转器挖掘机工作装置的受力分析。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章意大利参议院通过对孔特政府的信任投票美国万亿资管巨头减持贵州茅台春节留在深圳可分享2000万元数字人民币红包励志！只有8根手指就要放弃梦想？她不仅没有，还进了澳网正赛！春运期间，广州地铁延迟收车

本文来源于程序自动整理，版权争议与本站无关，如有侵权，请联系我们。
冀州区扬禹水工机械厂
厂家直销，支持定制，量大优惠
手机：13663289587
地址：河北省冀州区高田工业区