基于ABAQUS的滑軌板有限元分析

李和勤，王統(tǒng)順

（1.徐州和潤起重設(shè)備技術(shù)有限公司，江蘇 徐州 221131；2.上海世邦工業(yè)科技集團股份有限公司，上海 200120）

滑軌板是鑿巖機械手裝置中重要的受力元件之一，其受力情況直接影響鑿巖機械手的整體承受載荷和受力變形變形情況，從而影響機械手的運動平穩(wěn)性。由于滑軌板的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通過傳統(tǒng)的受力分析和解析計算無法準確預(yù)測其受力變形情況，因此，文章基于ABAQUS軟件對其進行有限元分析，研究其受力后的應(yīng)力、應(yīng)變情況，分析其結(jié)果并提出改進措施。

1 滑軌板的結(jié)構(gòu)分析

1.1 多功能鑿巖機械手的構(gòu)成

多功能鑿巖機械手主要包括主升降系統(tǒng)、副升降系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、伸縮臂和擺動系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 多功能鑿巖機械手的機械結(jié)構(gòu)

主升降系統(tǒng)沿左右方向水平安裝在牽引機的車體底盤的后端，主升降系統(tǒng)的兩端設(shè)有豎直設(shè)置的伸縮支撐腿，其中伸縮支撐腿液壓缸是雙向伸縮液壓缸。副升降系統(tǒng)豎直方向安裝在主升降系統(tǒng)的中部位置。主升降系統(tǒng)通過前后方向設(shè)置的主升降系統(tǒng)推移液壓缸與牽引機的車體底盤的后端安裝連接、且主升降系統(tǒng)與牽引機的車體底盤之間設(shè)置有導(dǎo)向滑軌。

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝在副升降系統(tǒng)上，包括回轉(zhuǎn)支撐和回轉(zhuǎn)驅(qū)動?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)通過豎直方向設(shè)置的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)升降液壓缸與副升降系統(tǒng)安裝連接、且回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與副升降系統(tǒng)之間設(shè)置有導(dǎo)向滑軌。

伸縮臂包括基礎(chǔ)臂和一節(jié)伸縮節(jié)臂，基礎(chǔ)臂固定安裝在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)支撐上、且伸縮臂的伸縮方向沿回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)支撐的徑向方向設(shè)置，伸縮節(jié)臂套接安裝在基礎(chǔ)臂內(nèi)部、且伸縮節(jié)臂通過伸縮臂伸縮液壓缸與基礎(chǔ)臂連接。擺動系統(tǒng)包括開槽工具回轉(zhuǎn)驅(qū)動、L型連接件和開槽工具。開槽工具回轉(zhuǎn)驅(qū)動固定安裝在L型連接件上并通過L型連接件與伸縮節(jié)臂的端部安裝連接、且開槽工具回轉(zhuǎn)驅(qū)動的回轉(zhuǎn)軸線前后方向設(shè)置；開槽工具包括鋸盤，鋸盤通過快速連接機構(gòu)與開槽工具回轉(zhuǎn)驅(qū)動的回轉(zhuǎn)輸出軸連接。

擺動系統(tǒng)還包括第一回轉(zhuǎn)裝置，L型連接件通過第一回轉(zhuǎn)裝置與伸縮臂的端部安裝連接，第一回轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn)軸線豎直方向設(shè)置，第一回轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn)輸出軸與L型連接件固定連接，第一回轉(zhuǎn)裝置的本體與伸縮臂的端部安裝連接；開槽工具還包括鉆頭，鉆頭尾部設(shè)有快速連接機構(gòu)。擺動系統(tǒng)還包括第二回轉(zhuǎn)裝置，第二回轉(zhuǎn)裝置通過第二回轉(zhuǎn)裝置與伸縮臂的端部安裝連接，第二回轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn)軸線前后方向設(shè)置，第二回轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn)輸出軸與第一回轉(zhuǎn)裝置的本體固定連接，第二回轉(zhuǎn)裝置的本體與伸縮臂的端部安裝連接。L型連接件上還設(shè)有液壓鉗。

2 基于ABAQUS的滑軌板有限元分析

對三維模型進行提取，為便于有限元分析計算，在保證求解結(jié)果準確、合理的前提下，對三維模型進行簡化，去掉其不必要的倒角和圓角→定義單元類型，考慮到鑿巖機械手各零部件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用8節(jié)點的四面體Brick8 node45單元類型→定義材料屬性，包括彈性模量、泊松比和密度等→劃分網(wǎng)格，主要考慮零部件的結(jié)構(gòu)及計算機的計算能力→選擇合適的部位施加約束條件→施加載荷。根據(jù) 應(yīng)力集中最大、最易損壞的部位所處位置，施加合適載荷對位移、應(yīng)力、應(yīng)變等進行求解計算→查看求解結(jié)果→修改參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和尺寸。

2.1 滑軌板的有限元模型

滑軌板材料采用Q235號鋼，該材料的彈性模量，泊松比。在有限元分析前需要對模型進行必要的簡化，忽略其它結(jié)構(gòu)。

2.2 定義邊界條件與施加載荷

滑軌板其定位是用平面定位，在編輯邊界條件時，文章采用ENCASTRE，約束了其所有的自由度。滑軌板的鉸接部分主要承受夾具豎直方向下的力，由上述受力分析可知，滑軌板的正反承受載荷為1 MPa，鉸鏈承受載荷為5 MPa。

2.3 模型的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是決定分析精度的重要環(huán)節(jié)。對滑軌板結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分影響著分析的結(jié)果。由于該滑軌板的模型較為復(fù)雜，為避免使用分割操作而導(dǎo)致的工作量增加和人工操作可能引起的誤差，文章采用二次四面體單元進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的大小影響著分析的精度，對其種子大小采用40。

2.4 靜力學(xué)分析結(jié)果

經(jīng)過ABAQUS的靜力分析，滑軌板的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖、位移云圖分別如圖2、3和4所示。

圖2 滑軌板的應(yīng)力云圖

圖3 滑軌板的應(yīng)變云圖

圖4 滑軌板的位移云圖

由應(yīng)力云圖可知，滑軌板承受的最大應(yīng)力為50.75 MPa。由應(yīng)變云圖可知，滑軌板的最大應(yīng)變在鉸接部分，其值為2.487×10-4。由位移云圖可知，其最大位移量是在液壓缸鉸接處，為0.1327mm。

2.5 改進方案

由靜力學(xué)分析結(jié)果可知，液壓缸鉸接處為滑軌板承受的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和最大位移量的部位，為提高滑軌板的安全性及可靠度，對滑軌板進行以下改進：

（1）在兩個液壓缸鉸接處各增加一塊上筋板和一塊下筋板，其外形如圖 5的（a）和（b）所示，焊接位置如圖（c）所示。

（2）在兩個液壓缸鉸接處對應(yīng)的滑軌板的背面各焊接一個加強架，加強架形狀如圖（d）所示，焊接方案如圖（e）所示。

圖5 筋板形狀

3 結(jié)語

（1）通過對滑軌板的有限元分析，滑軌板承受的最大應(yīng)力為50.75MPa遠小于材料自身的許用應(yīng)力，所以設(shè)計的滑軌板的強度在安全范圍內(nèi)。

（2）滑軌板的最大應(yīng)變在鉸接部分，其值為，滑軌板的變形量在允許范圍之內(nèi)。

（3）滑軌板的最大位移量是在液壓缸鉸接處，為0.1327 mm，顯然在允許范圍內(nèi)，驗證了該結(jié)構(gòu)整體的安全可靠性。

（4）液壓缸鉸接處為滑軌板承受的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和最大位移量的部位，為提高滑軌板的安全性及可靠度，在在兩個液壓缸鉸接處各增加一塊上筋板和一塊下筋板，在兩個液壓缸鉸接處對應(yīng)的滑軌板的背面各焊接一個加強架。