基于ANSYS的挖装机工作装置的静力学分析和模态分析1

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1、基于ANSYS的挖转机工作装置静力学分析和模态分析刘泽鑫，管会生，赵晶石（西南交通大学机械学院，四川成都610031）[摘要]本文运用SOLIDWORKS软件建立了挖装机工作装置的主要部件斗杆和动臂的三维模型，导入ANSYS软件对其进行了静力学分析和模态分析，得到了一典型工况下的应力分布及斗杆和动臂的固有频率及振型特征，为实际试验分析提供了一定的参考和依据。[关键词]ansys，静力学分析，模态分析挖装机作为一种高效的隧道施工机械，最近在中国的运用逐渐增多，因而有必要对其进行研究。挖装机在共振中不仅需要有较强的强度也需要良好的动强度和机械性能。故而本文对挖装机工作装置在一典型的工况

2、下进行了力的分析，并以动臂为例进行了静力学分析和模态分析。图1挖装机工作装置结构1-斗杆，2-回转前件，3-回转后件，4-动臂，5-底座，6-动臂油缸，7-接头油缸，8-斗杆回转油缸，9-斗杆油缸，10-铲斗，11-弯连杆，12-直连杆，13-铲斗油缸。1.载荷的确定要进行静力学分析就必须知道各构件之间及铰点上的力。这里运用经典的理论力学进行求解。1.1计算工况的选择本文对德国Schaeff公司的ITC312-H4挖装机进行实地测绘，运用三维建模软件solidworks进行建模。为计算各点载荷和以后的静动力学分析提供信息。由于挖装机工况很多，不仅有纵向的挖掘，还可以进行横向的角度摆

3、动，因此限于篇幅而不能一一求解，现对一典型工况如图2（即动臂油缸6，接头油缸7，斗杆油缸9都处于收缩状态，通过铲斗油缸转动进行挖掘时的工况）进行求解。图2挖装机无转角转动铲斗计算工矿1.2油缸最大推力各个液压缸的受力取决于不同的工况，在工况（如图3）明确后，各液压缸的最大受力也就是一个可以计算，即当铲斗尖N和铰点M连线竖直时，各油缸有最大的推力。为了简便计算，我们忽略油缸质量，各构件的质量和铲斗内的土的质量（这恰好使计算值比实际的油缸受力偏大），连杆的机械效率，铲斗内土的摩擦力。图3油缸工作力计算简图（1）由理论力学我们不难得到铲斗油缸的工作压力:（）(1)式中Fq—挖装机的扒渣阻

4、力；（将原来的扒渣阻力简化为一个合力并作用于铲斗的重心）Fwt—挖装机的切向挖掘力；L1—切向挖掘力对铲斗和斗杆的铰接点M的力臂；L5—铲斗和斗杆的铰接点M到连杆JL的距离；L12—挖装机的扒渣阻力到铲斗和斗杆的铰接点M得力臂；α—连杆JL与KJ连杆夹角；β—铲斗油缸作用力方向与连杆KJ的夹角（锐角）。（2）斗杆油缸的工作压力：（2）式中Fwn—挖装机的法向挖掘力；L2，L9，L14，L6—切向挖掘力，法向挖掘力，扒渣阻力，斗杆油缸工作压力对回转前件和斗杆的铰接点H的力臂；（3）接头油缸的工作压力：（3）式中L3，L10，L13，L7—切向挖掘力，法向挖掘力，扒渣阻力，接头油缸工作

5、压力对回转后件和动臂的铰接点D的力臂;（4）动臂油缸的工作压力；(4)式中L4，L11，L15，L8—切向挖掘力，法向挖掘力，扒渣阻力，动臂油缸工作压力对底座和动臂的铰接点O的力臂.1.3铲斗挖掘力的计算(1)铲斗插入土堆时切削阻力其土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显变化。参考文献[1]挖掘阻力可分为沿铲斗挖掘轨迹切线方向和法向方向两个力。切线方向力最大值按公式：（5）式中C—表示土壤硬度的系数;R—铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即转斗切削半径，单位为cm；—挖掘过程中铲斗总转角的一半;B—切削刃宽度影响系数，，其中b为铲斗平均宽度，单位为m；A—切削角变化影响系数;Z—带有斗齿的系

6、数;X—斗侧壁厚度影响系数，，其中s为侧壁厚度，单位为cm;D—切削刃挤压土壤的力，根据斗容量大小决定。(2)铲斗插入土堆后，将进行扒渣动作，其扒渣阻力Fq由几部分组成(6)—堆积土堆的移动阻力；—斗内侧壁与土壤的摩擦阻力；—斗外侧壁与土壤的摩擦阻力其中（7）—土壤与斗内底的摩擦力，单位N；—被推移土体的土壤重力造成的摩擦力,单位N土壤与斗内底的摩擦力(8)式中R—挖掘半径，单位m；—铲斗瞬时回转角，单位度；t—挖掘深度，单位m；—土壤的密度；—砾石与钢的摩擦系数。被推移土体重力造成的摩擦力(9)—扒进砾石的最大体积，，选取铲斗最大的截面积计算，挖掘最远距离考虑砾石自然坡角。—砾石

7、的内摩擦系数。本工况取最大值的一半。斗内侧壁与土壤的摩擦阻力：(10)式中——侧压系数，取0.2，—斗内侧面积，，通过计算取0.32，—铲斗长度，m，取1，—松散系数，取1.4斗外侧壁与土壤的摩擦阻力：(11)—斗外侧面积，单位。1.4各铰点反力的计算斗杆、铲斗受力简图如图4，回转件受力简图，动臂受力简图，由力学的平衡条件我们得到各铰点的反力：图4铲斗、斗杆受力图图5斗杆受力简图由图4得到：（12）（13）式中F2—斗杆油缸工作拉力；Fwn—法向挖掘力；Fwt—切线挖