基于自由度耦合的旋挖钻机有限元分析中液压缸模型的建立.pdf

设 计 计 算 设 计 计 算 D e s i g na n dC a l c u l a t i o n 2 0 0 5 1 2 工程机械 自由度耦合技术是有限元方法中的一项重要技 术, 它是在不同自由度间建立耦合关系来实现复杂 结构的建模[ 1 ]。虽然这种技术已经被多种有限元分 析软件 A N S Y S、A D I N A、A B A Q U S等 所采用, 但人 们对这种技术的原理了解甚少, 这方面的论文也不 是很多。本文将这种技术应用在旋挖钻机的有限元 分析中[ 2 ] [ 3 ], 提出了液压缸的有限元模型。 液压缸是一种应用最为广泛的液压执行元件, 大量应用在各种工程机械中。众所周知, 液压油的 刚度远低于金属钢材的刚度, 而且液压油的刚度受 系统压力的影响。但是, 以往人们分析工程机械结 构时很少考虑到液压缸变形对整体结构变形的影 响。例如, 旋挖钻机立柱在提升力的作用下会产生 很大的前倾。本文采用串联弹簧系统建立液压缸的 力学模型, 并在局部坐标下采用位移自由度耦合实 现液压缸活塞杆和缸体之间的相对运动。这种建模 方法可以真实地反映出实际结构的特性, 可以得到 更精确的分析结果。而且, 建模方法简单, 更适合于 工程应用。 1液压缸的有限元模型 液压缸只传递弯矩和轴向力,不能传递扭矩。 这种结构可以将活塞杆和缸体分别用梁单元描述, 接触的地方使用节点耦合来处理。传递轴向力的液 压油可以使用杆单元或弹簧单元来模拟。 如图1的双作用液压缸, 液压缸的有杆腔和无 杆腔充满压力油, 所以可以看作两个只承受压力的 串联弹簧。弹簧的刚度分别为 Ki Ki Ai L i 1 给予了充分的考虑。特别是电子监控系统和故障诊 断系统的设计与安装,大大提高了机器的维护维修 性能。 该系统可实现对装载机工作状态的实时监控, 包括速度、 温度、 油压、 水压等, 自动诊断、 记录机器 运行状态, 发生故障自动报警, 提醒驾驶员及时进行 修理, 并可提供排除问题的方法, 降低了故障排除的 难度, 提高了整机的维修性。 总之,未来的产品设计必须以创意与革新为首 要条件,唯有真正好用且务实的产品才能在市场上 脱颖而出,让消费者感到贴心且实惠的产品才是企 业制胜的根本。符合人机工程学原理的人性化的设 计是最实在、 最前沿的潮流与趋势。毫无疑问, 未来 的人性化设计将具有更加全面立体的内涵,它将超 越我们过去所局限的人与物的关系的认识, 向时间、 空间、 生理感官和心理方向发展。 参考文献 1张树永.装载机乘坐舒适性分析研究.大连理工大学工 程硕士学位论文,2 0 0 42 2李洪中, 郭春凤, 张怀亭.隔振器在装载机驾驶室降噪 中的应用.工程机械,2 0 0 49 通信地址 山东省临沂市金雀山路1 8号山东临工工程机械 有限公司技术中心 2 7 6 0 0 4 收稿日期2 0 0 5 - 0 7 - 2 4 大 庆 石 油 学 院 哈尔滨工业大学 赵伟民 郭峰李瑰贤 基于自由度耦合的旋挖钻机 有限元分析中液压缸模型的建立 “ “ “ “ 摘要 阐述了有限元方法中自由度耦合技术及其求解方法。采用自由度耦合方法建立了液 压缸的有限元模型, 对旋挖钻机的起落液压缸进行分析, 分析发现液压缸中液压油的刚度较低导 致旋挖钻机立柱前倾严重。 关键词 液压缸有限元旋挖钻机 3 6 设 计 计 算 设 计 计 算 D e s i g na n dC a l c u l a t i o n 工程机械2 0 0 5 1 2 图1液压缸的力学模型 A1无杆腔液压油截面面积 A2有杆腔液压油截面面积 p 1 无杆腔液压油压力 p 2 有杆腔液压油压力 L 1 无杆腔液压油长度 L 2 有杆腔液压油长度 Ki 1 β V △p △V 2 K K1 K23 式中K串联后弹簧的整体刚度 Ki液压油的体积模量[ 2 ], 根据不同系统压 力取值在 1 . 4 2 . 0 1 0 9N / m m2 Ki单个弹簧的刚度,i 1 02 Ai液压油截面面积,i 1 02 L i 液压油的长度,i 1 02 β体积压缩系数[ 3 ] V液压油体积 △V液压油加载前后的体积差 △p液压油加载前后的压力差[ 5 ] 当系统压力超过3 M P a时体积模量保持不变[ 3 ], 可以使用线性弹簧单元仿真, 否则需要使用非线性 弹簧单元。为了仿真内外杆的嵌套关系, 采用节点 自由度耦合。 在单元的局部坐标下, 分别将节点1、3 和2、4的Y、Z方向的移动自由度进行耦合。 2算例 2 0 0 2年秋, 课题组受三一重工委托对其首次研 制的旋挖钻机桩架进行整体有限元分析。为了得到 精确的有限元分析结果,对其平行四边形起落机 构、 立柱和钻杆提升系统建立了大型整体有限元模 型。其中就采用了本文的液压缸有限元模型。根据 有限元分析结果,对桩架结构进行了合理的修改。 S Y R 2 0 0旋挖钻机已经在青藏线上投入使用近两 年, 桩架结构没有出现任何问题。具体结构与有限 元分析结果如图2。 从有限元计算结果发现, 在提钻工况下立柱会 产生很大的挠度[ 4 ]。最大提钻力2 0 0 k N时前倾挠度 5 6 m m图中显示变形比例4 0 1 。变形主要由立柱 弯曲产生,液压缸的轴向变形引起的挠度为1 0 . 4 2 m m, 占总挠度的1 8 . 6 。由于提钻时液压缸有杆腔 中液压油含量很少, 刚度较大, 所以轴向变形相对 较小。但是, 当液压缸有杆腔中液压油压力较低时, 轴向刚度将大大减小。液压缸较小的变形将引起立 图2 S Y R 2 0 0旋挖钻机结构与有限元模型 3 7 设 计 计 算 设 计 计 算 D e s i g na n dC a l c u l a t i o n 2 0 0 5 1 2 工程机械 履带行走机构具有牵引力大、 接地比压低、 爬坡 能力强、 转弯半径小等优点, 因此, 大型路面冷铣刨 机 铣刨宽度≥1 . 5 m 均采用履带行走机构。 路面冷铣刨机履带行走机构的组成,主要包括 导向轮、 张紧缓冲装置、 履带架、 支重轮、 驱动装置、 链轨及履带板等部件,其中张紧缓冲装置是一个很 重要的部件,它支承导向轮,引导履带链轨正确卷 绕,并通过调节履带链轨的松紧程度使履带链保持 在一定张力范围内工作。缓冲弹簧在履带行走机构 受到冲击时, 起缓冲作用, 防止履带行走机构零件过 载, 减小履带振跳, 延长履带的使用寿命。张紧缓冲 装置设计参数的分析对设计履带行走机构具有非常 重要的意义。 1铣刨机履带张紧缓冲装置的结构组成及 设计原则 1 . 1结构组成 铣刨机的履带张紧缓冲装置一般放置在履带行 走机构的前部,主要由张紧液压缸和缓冲弹簧两部 分组成, 如图1所示。履带行走机构前部是导向轮, 导向轮可以前后滑动,张紧液压缸和缓冲弹簧支承 着导向轮, 利用黄油枪将油脂经油嘴注入液压缸, 以 控制液压缸的伸长量和履带的作用力,前后移动导 向轮, 使履带张紧或松弛; 缓冲弹簧在履带行走机构 受到冲击载荷时, 能使导向轮向后后退一段距离, 起 缓冲作用,以减少冲击,防止履带行走机构零件过 载。 1 . 2设计原则 1当履带行走机构受到冲击载荷或跨越障碍 时,应能依靠缓冲弹簧的弹性行程完全补偿履带链 曲线的变化, 以防止履带行走机构零件过载。因此, 缓冲弹簧必须有必要的弹性行程。 2 在正常的工作条件下, 张紧轮不会因上方区 段履带的跳动而后移,即此时缓冲弹簧不应产生弹 性行程。因此, 缓冲弹簧必须有必要的预紧力。 3 当履带链因销轴和销孔磨损而伸长时, 应可 路面冷铣刨机履带张紧缓冲装置设计参数分析 长沙中联重工科技发展股份有限公司彭福人周曼川 “ “ “ “ 摘要 在分析路面冷铣刨机履带行走机构张紧缓冲装置工作原理的基础上, 系统地介绍履带行走 机构张紧缓冲装置主要设计参数的确定及计算方法, 并给出履带张紧缓冲装置的设计原则。 关键词 冷铣刨机 履带 张紧装置 参数 计算 1 .黄油嘴2 .活塞杆3 .缸筒4 .缓冲弹簧5 .注油 腔6 .导向轮座7 .导向轮 图1履带缓冲装置结构图 柱较大的前倾挠度, 不可忽视。所以, 应该通过液压 系统保持液压缸两腔的压力, 提高液压缸的轴向刚 度。 参考文献 1陈向阳.折叠结构的主从自由度分析.工程力学 1 9 9 9 5 2郭峰赵伟民.螺旋体结构挠度和稳定的有限元分析方 法.工程机械2 0 0 5 3 3叶远林. Z Y - 2 0 0型旋挖钻机钻杆应力的有限元分析. 工程机械 2 0 0 4 3 4赵伟民.多功能旋挖钻机发展中若干问题的研讨.建筑 机械,2 0 0 4 7 5齐任贤.液压振动设备动态理论和设计.长沙 中南工业 大学出版社,1 9 8 9 通信地址 哈尔滨工业大学A区1 1公寓3 2 71 5 0 0 0 1 收稿日期2 0 0 5 - 0 7 - 1 7 3 8 C o n s t r u c t i o nMa c h i n e r ya n dE q u i p me n t V o l . 3 6N o . 1 2 A b s t r a c t si nE n g l i s h T h eD e s i g no f aN e wK i n do f Mo n i t o r i n gS y s t e m o nH y - d r a u l i c E x c a v a t o r AL C Dm o n i t o r i n g s y s t e mw i t hC 8 0 5 1 F 0 2 0s i n g l e c h i pp r o c e s s o r a s k e r n e l i s d e s c r i b e d i n t h e a r t i c l e . T h e o p e r a t i o n a n d a d j u s t m e n t o n m o d e l S WE 4 5 h y d r a u l i c e x c a v a t o r p r o v e d t h e s t a b i l i t y a n dr e - l i a b i l i t yo f t h es y s t e m . S o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o m p o s i t i o na n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e ma r e d e s c r i b e d . K e y w o r d s H y d r a u l i c e x c a v a t o rMo n i t o r i n gs y s t e m L C D D e v e l o p me n t o f aC o mb i n e dT u n n e l i n gS h i e l d T h e d e v e l o p m e n t a n dc o n c r e t e c o n s t r u c t i o na p p l i c a t i o na b o u t t h e f i r s t d o m e s t i c φ6 . 1 4 mc o m b i n e dt y p e t u n n e l i n g s h i e l da r e i n t r o - d u c e di nt h e a r t i c l e . S o m e t e c h n i c a l p r o b l e m s i nt h e d e s i g n , p r o - d u c t i o na n do p e r a t i o no f t h e c o m b i n e ds h i e l da r ed i s c u s s e d , a n d c o u n t e r m e a s u r e s a d o p t e d a r e l i s t e d , w h i c h p r o v i d e s b e n e f i c i a l r e f - e r e n c e f o r t h e d e v e l o p m e n t o f c o m b i n e d s h i e l d s . K e y w o r d s T u n n e l i n gs h i e l dT u n n e l c o n s t r u c t i o n S o i l p r e s s u r e b a l a n c e Mo d e l L W5 2 1 FWh e e l L o a d e r f r o mX u g o n g M o d e l L W5 2 1 Fw h e e l l o a d e r i s a b a c k b o n e p r o d u c t i n t h e s e c o n d g e n e r a t i o nFs e r i e s l o a d e r s l a u n c h e db yX u g o n gi n2 0 0 5 . I t i s a 5 - t o n c l a s s w h e e l l o a d e r w i t h h i g h p e r f o r m a n c e - p r i c e - r a t i o . I t i n - h e r i t s a l l a d v a n t a g e s o f t h ef i r s t g e n e r a t i o nFs e r i e s l o a d e r s f r o m X u g o n ga n dt h ec o n f i g u r a t i o na n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so f b a s i c m a c h i n e a r e o p t i m i z e d . T h e o v e r a l l o p e r a t i o nr e l i a b i l i t y a n ds e r - v i c e a b i l i t y a r e i n c r e a s e d , b r i n g i n g m o r e b e n e f i t s t o u s e r s . K e y w o r d s L o a d e rO p t i mi z a t i o nE c o n o mi c a l b e n e f i t D e v e l o p me n to faT u n n e l i n gS i mu l a t i o nT e s tB e n c hf o r L a r g e - s i z e dMu l t i - f u n c t i o n a l S h i e l d T u n n e l i n gs i m u l a t i o nt e s t b e n c hf o r s h i e l di s am u l t i s y s t e me - q u i p m e n t i t s e l f . I t s d e v e l o p m e n t i s a c o m p r e h e n s i v e a n dc o m p l e x d e v e l o p m e n t p r o j e c t i n v o l v i n g m a n y d i s c i p l i n e s s u c ha s m e c h a n - i c s , e l e c t r i c s , h y d r a u l i c s , c o n t r o l a s w e l l a s s o i l m e c h a n i c s . T h e d e v e l o p m e n t s i t u a t i o na b o u t t h ef i r s t d o m e s t i ct u n n e l i n gs i m u l a - t i o nt e s t b e n c ho f l a r g e - s i z e dm u l t i - f u n c t i o n a l s h i e l di si n t r o - d u c e d , i t s m a i n c o n s t i t u e n t s , c h a r a c t e r i s t i c s a n d t e c h n i c a l p a r a m - e t e r sa r ed e s c r i b e d . T h ea c c o m p l i s h m e n t o f t h et e s t b e n c hh a s p r o v i d e da k e y t e s t e q u i p m e n t f o r t h e d e v e l o p m e n t o f s h i e l d s a n d s h i e l d t u n n e l i n g p r o j e c t s . K e y w o r d s T e s t b e n c hS o i l p r e s s u r e b a l a n c i n gs h i e l d S l u r r yb a l a n c i n gs h i e l dC o n t r o l s y s t e m N e w R e s e a r c ho nR a t i o n a l Ma t c hb e t w e e nD i e s e l E n g i n e a n dH y d r a u l i c T o r q u e C o n v e r t e r E x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i c so f t h r e ed e v e l o p i n gs t a g e so f d i e s e l e n - g i n e s a r e c o m p a r e d . I t i s c o n s i d e r e d t h a t t h e a n a l y s i s o n t h e m a t c h b e t w e e nn e we n g i n e sa n dt o r q u ec o n v e r t e r sw i t hc u r r e n t m a t c h t h e o r yi si n a d e q u a t e . I t i ss u g g e s t e dt h a t t h em i d d l es e c t i o no f w o r k e f f i c i e n c y r a n g e o f t o r q u e c o n v e r t e r s h o u l d b e a d a p t e d t o t h e m i d d l e s e c t i o n o f “ c o n s t a n t p o w e r “ c u r v e o f t h e n e we n g i n e , s o t h e h i g he f f i c i e n c yc o n d i t i o no f t o r q u ec o n v e r t e r c o u l db e s t c o i n c i d e w i t ht h e h i g hp o w e r c o n d i t i o no f e n g i n e . T a k i n go u t p u t t o r q u eo f i m p e l l e r s h a f t a s i n d e p e n d e n t v a r i a b l e , o u t p u t p o w e r c u r v e sa r e p l o t t e da n dc o m p a r e da t t h r e eo r f o u r s e l e c t e dm a t c hc o n d i t i o n s r e s p e c t i v e l y . T h e m a x i m u ma v e r a g e o u t p u t p o w e r o n e i s s e l e c t e d a s t h e b e s t m a t c hc o n d i t i o n . N e we q u a t i o nt o c a l c u l a t e t h e e f f e c - t i v e d i a m e t e r o f t o r q u e c o n v e r t e r i s a l s o p r e s e n t e d . K e y w o r d s D i e s e l e n g i n e H y d r a u l i c t o r q u e c o n v e r t e rMa t c h T e s tS y s t e m f o r Me c h a n i c a lP e r f o r ma n c e so fL o a d e r s B a s e do nV i r t u a l I n s t r u me n t T e c h n o l o g y V i r t u a l i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y i s o n e o f t h e m o s t p o p u l a r t e c h n o l o - g i e s i n t e s t a n d c o n t r o l a r e a . As e t o f s c h e m e s t o d e v e l o p t e s t s y s - t e mo f m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e s o f l o a d e r s i s s u g g e s t e db a s e do n v i r t u a l i n s t r u m e n t . T h e s y s t e mi s d e v e l o p e d u n d e r a n e n v i r o n m e n t o f L a b Wi n d o w s / C V I , i n t e g r a t i n gD A Qc o l l e c t i o n , d a t a b a s ea n d m u l t i m e d i at e c h n o l o g y , a n df u n c t i o n s s u c ha s o n l i n eh i g h - s p e e d r e a l - t i m ed a t ac o l l e c t i o n , s i g n a l a n a l y s i s , d a t a b a s em a n a g e m e n t a n de t c a r e r e a l i z e d . N o wt h e w h o l e s y s t e mh a s b e e np u t i n t o a p - p l i c a t i o n i n s o m e l a r g e c o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y e n t e r p r i s e s a n d c a n m e e t t h e v a r i o u s r e q u i r e m e n t s o f m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c et e s t i n m a n u f a c t u r e r s d u e t o i t s p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n v a l u e . K e y w o r d s V i r t u a l i n s t r u me n tL o a d e r Me c h a n i c a l p e r f o r ma n c eL a b Wi n d o w s / C V I F i n i t eE l e me n t A n a l y s i s o nt h eS t r u c t u r eo f Mo d e l T C 2 4 0 0 T o w e r C r a n e C o n v e y o r Af i n i t e e l e m e n t m o d e l o f T C 2 4 0 0t o w e r c r a n e c o n v e y o r i s s e t u p w i t hA N S Y Ss o f t w a r e . T h ew h o l es t r u c t u r er i g i d i t ya n ds t r e n g t h a n a l y s i s a r e c o n d u c t e d f o r f o u r d i f f e r e n t w o r k c o n d i t i o n s u n d e r t w o o p e r a t i o nm o d e s . I no r d e r t og e t m o r ea c c u r a t es t r e s ss o l u t i o n , s u b - m o d e l s o f s o m ek e yp a r t ss u c ha sw o r kp l a t f o r m , p i ns h a f t c o n n e c t i o nb e t w e e ns l e wp l a t f o r ma n dt o w e r b o d y , h i g hs t r e n g t h b o l tc o n n e c t i o n sb e t w e e nt o w e rs e c t i o n sa r ea l s oe s t a b l i s h e d , s t r e n g t h c o n d i t i o n s a r e v e r i f i e d . K e y w o r d s T o w e r c r a n e c o n v e y o r F i n i t e e l e me n t me t h o d A N S Y SS u b - mo d e l me t h o d B r i e f D i s c u s s i o no nt h e U s e r F r i e n d l yD e s i g no f L o a d e r s A c c o r d i n g t o r e l a t e d t h e o r i e s i n u s e r f r i e n d l y d e s i g n a n d d e v e l o p - m e n t d e s i g np r a c t i c e o f w h e e l l o a d e r s , a s p e c t s o ns a f e t y , c o m f o r t a n de n v i r o n m e n t a l f r i e n d l i n e s s a r e d i s c u s s e d . C o n c r e t e i m p r o v e - m e n t m e a s u r e s a r e s u g g e s t e d , w h i c hi m p r o v e t h e s a f e t y a n dc o m - f o r t o f a n e wg e n e r a t i o nl o a d e r s s i g n i f i c a n t l y a n dc o m p l y w i t he n - v i r o n m e n t a l r e q u i r e m e n t s . T h i s f u l l y s h o w e d “ h u m a n f i r s t “ p h i l o s - o p h y a n d d e m o n s t r a t e d d e v e l o p i n g t r e n d o f l o a d e r s . K e y w o r d s Wh e e l l o a d e rU s e r f r i e n d l yd e s i g nC o mf o r t E s t a b l i s h me n t o f H y d r a u l i cC y l i n d e rMo d e l i nF i n i t eE l e - me n tA n a l y s i so fR o t a r yP i l eD r i l l B a s e do nD e g r e e - o f - f r e e d o mC o u p l i n g D e g r e eo f f r e e d o mc o u p l i n gt e c h n o l o g yi nf i n i t ee l e m e n t m e t h o d a n di t s s o l v i n gp r o c e d u r ea r ed e s c r i b e d . F i n i t ee l e m e n t m o d e l o f h y d r a u l i c c y l i n d e r i s e s t a b l i s h e dw i t hd e g r e e o f f r e e d o mc o u p l i n g m e t h o d t o a n a l y z e t h e l i f t i n g c y l i n d e r o f r o t a r y p i l e d r i l l . T h e a n a l - y s i s s h o w s t h a t t h e r i g i d i t y o f h y d r a u l i c o i l i nt h e c y l i n d e r i s l o w , w h i c h r e s u l t s i n s e v e r e f o r w a r d t i l t i n g o f r o t a r y p i l e d r i l l s m a s t . K e y w o r d s H y d r a u l i c c y l i n d e rF i n i t e e l e me n t R o t a r yp i l e d r i l l A n a l y s i s o nD e s i g nP a r a me t e r s o f C r a w l e rT e n s i o n i n ga n d R e c o i l D e v i c e o f C o l dMi l l i n gMa c h i n e O n t h e b a s i s o f a n a l y z i n g t h e w o r k p r i n c i p l e o f t e n s i o n i n g a n d r e - c o i l d e v i c e i nc r a w l e r t r a v e l m e c h a n i s mo nc o l dm i l l i n g m a c h i n e , d e t e r m i n a t i o na n dc a l c u l a t i o nf o r m a i nd e s i g np a r a m e t e r s o f t h e d e v i c ea r ed e s c r i b e ds y s t e m a t i c a l l ya n di t sd e s i g np r i n c i p l ei s p r e s e n t e d . K e y w o r d s C o l dmi l l i n gma c h i n eC r a w l e r T e n s i o n i n gd e v i c eP a r a me t e rC a l c u l a t i o n T e c h n o l o g yo f R e mo v i n gS n o wa n dI c eo nR o a d sa n dI t s D e v e l o p i n gT r e n d T e c h n o l o g y o f r e m o v i n g s n o wa n di c e o nr o a d s a n di t s d e v e l o p i n g t r e n da r es u m m a r i z e d . A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f s n o w a n di c e r e m o v i n g e q u i p m e n t , t h e y a