液压挖掘机动臂静强度的灵敏度分析.pdf

第 参嬲孝 月| | 工 翟彩 我国铁路道床大部分是石灰岩道渣，石灰岩强 度低、 易粉碎， 遇水后又会板结， 由于捣固频率过低， 道床稍有板结 ， 镐头插入就困难 ， 会较 大地影响捣固 作业效率 。 4 结论 产生高频双轴椭圆振动的捣固装置能有效提高 道渣的密实度， 改善道床的稳定性， 能更好地满足我 国铁路高速、 重载的需要。因此， 开发高频双轴椭圆 振动捣 固装 置对我 国捣稳 一体化技术有着 重要意 义。 目前我院交通修养技术与装备研究所已经完成 了双轴椭 圆振动 的数学模型建立 ，并用 AD A MS动 力学分析软件进行 了捣 固装置样机 的虚拟仿 真 ， 初 步实现了双轴椭圆振动。捣稳一体化的研究 已经迈 出了重要的一步， 但待做的研究工作还很多， 与真正 实现捣稳一体化还有很大的距离。 参 考 文 献 [ 1 ]1 韩志青 ， 唐定全． 抄平起拨道捣固车[ M】 ． 北京 中国 铁道 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ]2 赵凤德． 动力稳定车[ M 】 ． 北京 中国铁道出版社 ， 1 98 5． [ 3 ]3 苏保生． 动力稳定车稳定装置的国产化研究 叨． 铁 道建筑， 1 9 9 7 2 3 1 3 4 ． 通信地址 湖南长沙 中南大学 交通 运输工程学院 交通修 养 技术与装备研究所 4 1 0 0 7 5 收稿 日期 2 0 0 7 1 2 2 9 液压挖掘机动臂静强度的灵敏度分析 木 三 一 重 机有 限公 司 陈健喻 江波 重庆大学机械传动国家重点实验室 籍庆辉李延骁杨为 随着市场竞争 日趋激烈 ，迫切需要缩短产 品开 发时间。 在这种情况下 ， 结构分析在结构设计中显得 十分重要 ， 而分析结果的可靠性、 有效性及分析过程 的高效性与对设计的正确指导作用密切相关[ 。灵 敏度分析是用来计算设计变量变化对应 的结构响应 的变化率， 将必要的变化率信息传递给优化器， 达到 最优化设计 的目的， 是一种极为有效的方法 ， 能够充 分挖掘设计潜力， 比较、 评价设计方案并在各种设计 方案中寻优，从而得到可靠的具备各项良好性能的 最优设计， 有效地提高了分析效率。 1 灵敏度分析的理论基础 灵敏度系数是指响应值 r 与设计变量的变化量 O r ／ O x的 比值 ， 是在特殊 设计特征 下通 过设计变量 的向量求得 ， 如式 1 所示 、 I a I f f 式 1 中下标表示第 响应下的 i 的变化量， 相 对变量 魁的斜率如图 1 所示。 基金项目 国家自然科学基金 5 0 5 0 5 0 2 6 ； 重庆市自然科学基金 C S T C ， 2 0 0 5 B B 3 2 2 2 一 2 3 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 灵敏 度系数 的图解 有限元模型包含了几何特征、材料属性和边界 条件， 通过定义工况可进行线性静态位移响应计算。 静态响应如压力和应变都可由位移结果推导。 任意一个响应可表示为随位移变化的函数 一 r - r u 一 式中 是位移结果。 位移结果是随设计变量变化的隐函数 2 3 由于其他响应都可写成 自变量为位移的函数， 也可写为设计变量的函数 r r ] 4 由设计变量变化引起的响应灵敏度可用有限差 分来近似 r上 r上 O x i Ax i 帕帕 _ 帕帕 丑 垒 苎 丝 垒 墨圭 2 二 r』 丝2 A x i 警一 { 8 通过式 8 计算可获得位移灵敏度， 并进而得到 其他响应的灵敏度。 运用通过有限元分析解耦了的刚度矩阵可减少 位移灵敏度分析的运算机时。注意到公式 8 的右 边 ， 包含了偏导 o { P } ／ O x i 和 O {K } ／ O x 。 由于它们是随设 计变量变化的隐函数，其导数可通过有限差分法近 似得到 。 单元属性最优时 _ 0 _ 0 垒 2 】 2 】 O X Ax i _ 0 _ 0 盟 1 I 1 ． 9 O x i A x i ⋯ 形状优化时 阻 _[ 一 △ i 1 一 一 △ i _ 0 _ 0 盟 2 l _ l 1 0 O x 2 A x i ⋯ A x D F E L B 麓 1 1 作为有限差分近似求解， 通过式 5 、 1 1 设计 变量 表达单元属性变化 只。实际中， 式子里的设 计变量在独立设计的变量和独立变化单元中是通用 的。 2 结构分析模型的建立 5 2 ． 1 单元的选取及划分 通过公式 5 可以得到随设计变量和位移结果 变化的函数。 然而， 位移响应又是随设计变量变化的 一 隐函数， 所以采用如下公式计算 A u △ i 以 6 公式 6 要求位移灵敏度已知， 它可以通过对静 力平衡的微分方程求解 由【 嗣{ { P 】 7 得到 - - 2 4- - 动臂的整体式弯臂采用大圆弧过渡以减小该处 的应力集中， 结构简单， 重量轻。 如图 2 所示， 其主体 框架由上盖板、 下盖板、 左侧板及右侧板焊接而成。 上下盖板均由上下两块厚度为 9 m m的钢板拼焊而 成。前后侧板分别由厚度为 9 in lrn 、 8 m m和 9 m m的 3 块 1 6 M n 钢板拼焊而成。 动臂与转台的轴座以及斗 杆缸、 动臂缸连接的支座均用 1 6 M n ； 与斗杆连接的 轴座采用了2 0 C r 。轴座与箱形框架焊接成动臂。 由于动臂的主体框架由上盖板、 下盖板、 左侧板 及右侧板焊接而成，这些焊接件的厚度分别为 8 - 9 m m， 长宽方向的最小尺寸大于 2 0 0 m m 。 由有限元理 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 舔缄 簪 再 。 _ 0 。_ 穗籼 ll l 0 0 。 l ll 蛹 睁 1 ． 前叉 板 2 - 便 4 板 3 ． 斗 杆缸支 座 4 ． 后 轴座 5 ． 下盖 板 6 ． 动臂 缸支座 7 ． 上盖板 图 2动臂 结构 示意图 论可知， 在 h ≤ 口 ／ 5 时， 可采用二维单元进行计算。 因 此， 对上盖板、 下盖板、 左侧板及右侧板等零部件采 用二维单元进行划分。 然而， 对于如动臂与转台的轴 座等零部件其长宽方向的最小尺寸不满足 h ≤口 ／ 5 ， 只能采用三维单元来进行划分。对于有限元模型中 的二维单元与三维单元的连接， 采用了 R S S C O N单 元连接方式， 这种方法自动产生 1 个多点约束 ， 将壳 单元边上的 3 个平移自由度和 3 个转动 自由度连接 在体单元上边的 3 个平动自由度上。动臂的有限元 模型如图 3 所示。 图 3动臂 的有 限元 模 型 整个有限元模型由 1 1 8 4 个实体单元、 1 3 0 4 个 二维单元和 3 3 7 2 个节点构成。 2 ． 2 载 荷和 边界 条件 的处 理 动臂的静强度响应计算按挖掘工作时斗杆缸作 用力臂最大处、铲斗在发挥最大挖掘力位置时和动 臂可能出现最大载荷的位置时的工况来计算。在进 行有 限元分析时 ， 铰销是铲斗与斗杆 、 斗杆与动臂及 动臂与液压缸之间的传力体， 受力情况比较复杂。 支 座处铰销和轴孑 L 间的作用力实际上是以分布载荷的 形式相互作用的。销、孑 L 之间接触应力的分布与材 质、 接触方式和配合公差等诸多因素有关。 采用虚功 原理的方法 ，将接触应力视为沿轴孑 L 内表面 1 2 0 。 范围内按余弦规律分布，将等效节点力施加在铰销 孑 L 的半径方向上。 为 了消除总刚度矩阵的奇异性 ，必须消除动臂 模型的刚体位移，对后轴座端施加了3 个坐标轴向 位移的约束。 3 基于静强度响应的灵敏度分析 结构修改灵敏度是指所关注结构的性能指标 对某些结构参数的变化梯度 ， 动臂结构中的灵敏度 分析是动臂结构参数的变化对结构设计参数变化 的敏感性。在静强度分析基础上 ， 对动臂组成构件 的板厚进行了灵敏度分析， 可确定结构修改的最佳 部位。目标函数选动臂在 2 ．2 节工况下单元应力为 最小， 设计变量为 5 个零部件的板厚。零件灵敏度 系数的计算结果如表 1 所示， 表中所示的灵敏度系 数为负的部件， 可通过增加板厚， 达到降低对应位置 应 力的 目的。 表 1 最大载荷工况时动臂静 强度 响应 的灵敏度 系数 变量号 部件名称 灵敏度系数 1 动臂侧板厚度 P _ c b - 8 ． 5 6 9 8 E - 0 3 动臂侧板 加强板厚度 2 9 ．8 5 1 9 E- 0 2 Db C e bT Db_q c b 3 动臂前包板厚度 P _ q b b 一 1 ． 7 6 1 1 E o 3 4 动臂上盖板厚度 P s g b 2 ． 4 1 0 4 1 E 一0 1 5 动臂下盖板厚度 P _ x g b 2 ． 1 3 1 5 E O 1 4 结论 1 灵敏度分析结果表明，在满足静强度条件 下增加动臂侧板和前包板的厚度可以减小局部应力 的大小 ； 可以在一定程度上减小加强板和上、 下盖板 的厚度， 也可 以减小局部应力大小。 2 灵敏度分析对动臂结构的设计优化具有指 导意义 ， 可找到动臂修改的最佳部位 ， 从而进行有针 对性 的修改。 参 考 文献 [ 1 】马迅， 过学迅， 赵幼平， 等． 基于有限元法的结构优化与 灵 敏度 分 析 叨． 机 械 科 学 与技 术 ，2 0 0 2 ， 2 1 4 5 58 -561 ． [ 2 】张杰， 冯培恩． 履带式液压挖掘机有限元分析节点外载 荷计算[ J 】 ． 工程机械， 1 9 9 2 ， 2 3 1 2 2 5 ． 一 2 5 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l l i 工程 藏 _ _ _ l_ l 姆 嘲噍 [ 3 】丁华， 朱茂桃， 赵剡水． 液压挖掘机动臂的有限元分析 叨． 中国公路学报， 2 0 0 3 ， 1 6 4 1 1 8 1 2 0 ． 通信地址 江苏昆山经济开发区环城东路三一产业园挖机研 [ 4 ]高云凯， 张海华 ， 余海燕． 轿车车身结构修改灵敏度分 究院 2 1 5 3 0 0 } 收稿日期 2 0 0 7 1 1 1 2 析叨． 汽车工程， 2 0 0 7 ， 2 9 6 5 1 1 5 1 4 ． L B Q2 0 0 0型配料机三斗机架结构分析 南阳理工学院 宗荣珍张振华 北京电子科技职业学院 文珈 摘要 研究延用经验设计方法生产的U3 Q 2 O O O型配料机三斗机架的结构和工作情况， 运用 A N S Y S 软件建立配料机三斗机架的三维计算模型并进行计算，得知在载荷作用下的最大变形量为 1 ． 3 5 8 m m， 远 小于允许变形量 加． 7 4 4 m m， 同时最大应力为 1 4 2 ． 1 5 MP a ， 位置在中间配料斗支架与两边配料斗支架相连 的上横梁处， 也远低于Q 2 3 5 A的屈服强度 2 3 5 M P a 。为了进一步优化设计方案， 提出如下改进措施 1 将 三斗机架的下横梁、 下纵梁由原来的槽钢 C 1 4 a改为 C 1 2 ； 2 8根立柱由原来的槽钢 C 1 2 改为 C 1 0 ； 3 下 部放置级配单元的托架上的横撑、 竖撑由原来的槽钢 C1 2改为 C1 0 ， 其余不变。改进后的三斗机架最大变 形量 1 ． 3 9 2 m m， 最大应力值为 1 3 2 ． 2 1 M P a ， 最大变形量几乎没有改变， 但最大应力值减小了， 而且改进后 机架结构的整体柔度增加， 减小了冲击力。 改进后三斗机架少用钢材 1 1 0 k g ， 节约钢材 7 ． 2 4 ％。 此改进方法 已应用于产品生产中。 关键词 配料 机三斗机架有限元分析 L B Q 2 0 0 0型配料机是修筑高速公路用的稳定 土配料设备， 共有 5 个级配斗， 其中3 个放在三斗机 架上 ， 另外 2个放在两斗机架上 。 斗机架承受着级 配斗重力、 隔网重力、 物料重力、 级配单元重力、 级配 带拉力和装载机卸料时的冲击力 ，长期以来一直采 用经验设计方法进行设计，其结构的合理性有待研 究。 为使其结构更加合理、 安全、 可靠， 避免发生材料 浪费等现象， 以降低生产成本， 本文采用有限元分析 方法， 对配料机三斗机架的结构进行计算， 根据计算 结果提出结构设计改进方案。 l 三斗机架结构及工作情况 L B Q 2 0 0 0型配料机的三斗机架属于钢架结构 ， 主要由标准槽钢焊接而成， 材料均为 Q 2 3 5 A 。机架 总长 1 0 ． 1 8 6 m、 总宽 2 ．0 2 4 m、 总高 1 ．7 6 2 m 不包括 支腿 ， 自重 1 5 1 9 k g 。 机架上装有 3 个级配斗， 如图 1 所示，每个级配斗内分别装有疏密程度不同的隔 网，工作时装载机将粒度不同的物料分别装入各个 级配斗内， 物料通过隔网落到级配带上， 级配带运动 时即可将物料下落到输送带上，物料通过输送带运 送到稳定土搅拌器中。 一 2 6一 图 1三斗 机 架 结 构 级配斗每斗装载量 7 ．4 n l ，物料密度 1 6 0 0 k s ／ m3装载机每次装载量 5 0 0 0 k g ， 装载机装 载时卸料 高度 3 6 0 0 m m， 每个级配斗自重 9 7 7 ．6 2 k g ， 每个隔 网自重 1 4 0 ．6 6 k g ， 每个级配单元自重 6 4 1 k g 。 2 建立有限元模型 2 ． 1 单元的选择和单元坐标系的确定 由于三斗机架上的槽钢在实际承载时会受到拉 力、 压力、 弯矩、 转矩和剪力， 为了能准确计算出各种 内力对三斗机架上的各杆件的影响，在建立三斗机 架的有限元分析模型时考虑选用三维弹性梁单元 B E A M 4 。B E A M 4 是可以承受拉、 压、 弯曲和扭转刚 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m