崔盈利，張為春

CUI Ying-li, ZHANG Wei-chun

（山東理工大學，淄博 255049）

0 引言

推土機是礦山開采、建筑工程等的主要施工設(shè)備，工作條件十分惡劣。工作裝置作為推土機承受工作載荷的主要部件，受到的外載復雜多變，所以經(jīng)常會出現(xiàn)問題，如某型號推土機的頂推梁有時出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，影響工程的質(zhì)量與進度。因此，對推土機工作裝置進行應(yīng)力分析是推土機設(shè)計和改進時必不可少的環(huán)節(jié)。用有限元法對推土機工作裝置進行應(yīng)力分析，能大大降低成本并縮短設(shè)計周期[1]，對于提高推土機的設(shè)計速度和水平也具有非常重要的意義。

1 推土機工作裝置的結(jié)構(gòu)模型

在Pro/E軟件中建立的推土機工作裝置結(jié)構(gòu)總成模型如圖1所示，它主要由推土鏟、斜撐螺桿、側(cè)傾油缸、左頂推梁、右頂推梁、水平斜撐桿、左右提升油缸組成。推土鏟與車架之間連接有頂推梁、側(cè)傾油缸等部件，因此推土鏟含有頂推梁支座、側(cè)傾油缸支座等結(jié)構(gòu)，另外，推土鏟結(jié)構(gòu)還包括底板、背板、面板、后加強筋板及側(cè)板等部件。由于工作裝置結(jié)構(gòu)的復雜性，故本文采用了有限元法對其進行應(yīng)力應(yīng)變計算。

圖1 推土機工作裝置結(jié)構(gòu)總成模型

2 推土機工作裝置有限元分析

將在Pro/E軟件中建立的推土機工作裝置結(jié)構(gòu)模型導入到ANSYS軟件中。

2.1 推土機工況選擇

考慮到現(xiàn)有實驗條件等因素的影響，本文選取了以下兩種工況對推土機工作裝置進行強度應(yīng)變分析：

第一種計算工況，推土機在水平路面上正鏟推土，油缸封鎖，即推土鏟刀上下位置不變，推土鏟刀達到最大推土量至履帶滑轉(zhuǎn)，此時推土鏟的推土力達到最大值。由于推土機推土速度變化緩慢，可以忽略動載如慣性、沖擊等因素的影響[3]。

第二種計算工況，推土機在水平路面上斜鏟推土，即推土鏟刀向左傾斜推土，油缸閉鎖，在推土過程中突然遇到障礙物，當履帶出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)時，推土鏟的推土力達到最大。由于慣性、沖擊等動載因素的影響，本文選取動載系數(shù)為1.5，計算施加載荷時應(yīng)乘以動載系數(shù)。

2.2 推土機外載荷的確定

本文所指的推土機外載荷主要是推土鏟刀在相應(yīng)工況下所受土壤的阻力。由于推土機在水平路面上推土，當履帶滑轉(zhuǎn)時推土機的附著力為最大附著力。要得到推土機的最大外載荷，首先要計算出最大附著力，公式如下：

G為推土機整機機重；

試驗選擇的是干粘土路面，經(jīng)資料查詢其附著系數(shù)值為0.9，整機機重為17500kg，則第一種計算工況推土機的最大外載荷為：

第二種計算工況取動載系數(shù)為1.5，則推土機的最大動載荷為：

2.3 推土機工作裝置有限元分析

2.3.1 工況一推土機工作裝置有限元分析

由于自由網(wǎng)格劃分對模型沒有特殊的要求[2]，本文在對農(nóng)用推土機工作裝置模型進行網(wǎng)格劃分時，選擇了自由網(wǎng)格劃分方法。

第一計算工況，對推土鏟施加水平面載荷，施加載荷的大小為154350N，另對左右頂推梁右端及左右提升油缸頂端施加約束，進行應(yīng)變仿真分析，得到結(jié)果如圖2所示。

圖2 工況一工作裝置總應(yīng)變云圖

由圖2可知，推土機工作裝置的應(yīng)變程度從推土鏟到頂推梁右端逐漸減小，這是由于本文對頂推梁右端施加了固定約束。對于工作裝置的各零部件，部分位置有較大應(yīng)變，主要分布在鉸接點等應(yīng)力集中的地方，其中頂推梁最大應(yīng)變處發(fā)生在頂推梁與水平斜撐桿的連接部位，推土機頂推梁接近中間的部位出現(xiàn)較大應(yīng)變，大小為206um/m。

2.3.2 工況二推土機工作裝置有限元分析

第二計算工況，對推土鏟左角點施加點載荷，施加載荷的大小為231525N，另對左右頂推梁右端施加約束。對工作裝置進行應(yīng)變仿真分析，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 工況二工作裝置總應(yīng)變圖

由圖3可知，頂推梁接近中間的部位出現(xiàn)最大應(yīng)變，大小為524um/m。

3 推土機工作裝置應(yīng)變測量試驗

3.1 試驗設(shè)備及說明

本文使用的是型號為ImcCL-5016-1的數(shù)據(jù)采集設(shè)備；傳感器選用型號為B*120-2AA的電阻應(yīng)變計；Plug接頭若干，用以接入1/4橋路應(yīng)變信號；信號傳遞線若干；其他輔助設(shè)備，如電動角磨機，無水乙醇，膠槍，萬用表等。將傳感器正確連接至數(shù)采設(shè)備，輸入設(shè)定參數(shù)，平衡橋路后即可測試。對工況一試驗時，推土鏟處于水平位置進行推土工作，直至履帶出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)，將應(yīng)變測量結(jié)果進行記錄保存，如此重復進行3次。對工況二試驗時，推土鏟處于側(cè)傾位置進行推土工作，直至履帶出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)，將應(yīng)變測試結(jié)果進行記錄保存，如此重復進行3次。

3.2 推土機工作裝置測點的選擇

根據(jù)以往推土機工作裝置曾出現(xiàn)開裂、斷裂的位置，結(jié)合對各部件力學分析，我們選取了以下各處做為測試截面。

圖4 各測試點位置

圖4 左上圖為頂推梁的應(yīng)變片粘貼位置，位于頂推梁中間部位、支座與頂推梁的連接處。圖4右上圖為水平斜撐桿應(yīng)變片粘貼位置，位于水平斜撐桿中間位置外側(cè)。圖4左下圖為斜撐螺桿應(yīng)變片粘貼位置，位于斜撐螺桿中間位置外側(cè)。圖4右下圖為側(cè)傾油缸應(yīng)變片粘貼位置，測試點選在側(cè)傾油缸下端，這樣可以避免應(yīng)變片受到油缸運動部件的影響。

3.3 采集數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

本文采用的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件是與imc配合使用的FOMOS（Fast Analysis & Monitoring Of Signal）軟件。由于試驗中采集的有用信號一般都在10Hz以內(nèi)，故首先對原始的數(shù)據(jù)采取低通濾波處理，截止頻率為10Hz。然后對照相應(yīng)測試的錄像，對照波形，確定要測量的工況的截止時間，對其進行分段處理。將FOMOS處理后的文件以Excel格式導出，就可得到兩種工況下各個測試點的應(yīng)變值。

3.3.1 工況一推土機工作裝置應(yīng)變分析

如表1所示為工況一頂推梁試驗應(yīng)變值。可以看出，頂推梁應(yīng)變最大值在200um/m左右，負值表示應(yīng)變片受壓，即測量點受壓力作用。

表1 工況一頂推梁應(yīng)變測量數(shù)據(jù)

3.3.2 工況二推土機工作裝置應(yīng)變分析

如表2所示為工況二頂推梁試驗應(yīng)變數(shù)值。可以看出，頂推梁應(yīng)變最大值在550um/m左右，負值表示應(yīng)變片受壓，即測量點受壓力作用。

表2 工況二頂推梁應(yīng)變測量數(shù)據(jù)

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，試驗結(jié)果和仿真結(jié)果一致，應(yīng)變最大值出現(xiàn)在頂推梁中間部位，所以其他測量點的應(yīng)變值在此不再給出。而且三次試驗中，頂推梁測試點處的測試數(shù)據(jù)重復性也比較好。分析結(jié)果不僅證明了有限元模型分析的正確性，也為進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

4 推土機工作裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

4.1 推土機工作裝置的結(jié)構(gòu)改進

通過仿真結(jié)果和試驗結(jié)果的對比分析，本文將改進目標放在了頂推梁部件，對頂推梁做了結(jié)構(gòu)改進。經(jīng)過綜合考慮，本文將頂推梁的寬度從之前的225mm增加到改進后的245mm。

4.2 改進后工作裝置有限元分析

改進后，對工作裝置重新進行網(wǎng)格劃分和施加載荷，進行分析后即可得到以下結(jié)果，最大應(yīng)變處仍然在頂推梁中部，不過應(yīng)變值小了很多。

4.2.1 改進后工況一工作裝置有限元分析

圖5 改進后頂推梁應(yīng)變圖

由圖5可知，對于第一計算工況，改進后的頂推梁的應(yīng)變狀況比改進前有所改善，頂推梁中間部位鉸接處的最大應(yīng)變值由改進前的206um/m減少至105um/m。

4.2.2 改進后工況二工作裝置有限元分析

圖6 改進后頂推梁應(yīng)變圖

由圖6可知，對于第二計算工況改進后的頂推梁的應(yīng)變狀況比改進前有所改善，在頂推梁中間部位鉸接處的最大應(yīng)變值由改進前的524um/m減少至286um/m，說明改進后的農(nóng)用推土機工作裝置比改進前的結(jié)構(gòu)強度得到明顯提升。

5 結(jié)論

1）有限元分析結(jié)果和試驗結(jié)果基本一致，確定推土機工作裝置的應(yīng)變最大值出現(xiàn)在頂推梁中間部位，證明了有限元模型分析的正確性，也為推土機工作裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

2）改進后的推土機工作裝置在兩種工況下的最大應(yīng)變值都大大降低，改進后的頂推梁沒有出現(xiàn)斷裂等現(xiàn)象。

[1] 郭立新,王守春,鄭春岐,等.液壓反鏟挖掘機工作裝置有限元動態(tài)分析[J].中國機械工程,2000,11(12)：1228-1340.

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[3] 王曉.可變間距式履帶底盤測功機驅(qū)動軸組合有限元分析[J]. 農(nóng)機化研究,2012(8)：204-212.

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