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挖机分析.doc

挖机分析

忘掉的忘不掉_
2017-09-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《挖机分析doc》,可适用于工程科技领域

挖机分析挖掘机小臂研制及应用前言挖掘机又称挖掘机械是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料并装入运输车辆或卸至堆料场的机械。利勃海尔挖掘机是挖掘机械中最重要的成员之一以其起重能力强、挖掘力大、斗容大以及作业速度快等特点在行业中占据了重要地位。也是我公司托管的环业用于挖掘炼铁、炼钢渣罐的主要挖掘机械。由于在高温、高强度等恶劣环境作业以及频繁的挖、抓渣罐里残留的铁渣以致挖掘的小臂频频受到强大的冲击力作用导致使用寿命大幅降低(平均使用寿命为年)。目前挖掘机小臂等备品备件是由其统一的供应商专供处于垄断行情其市场价格比较高(利勃海尔挖掘机小臂万元件)同时在价格、交货期、规格质量上等都受制于人。因而造成了我公司托管的环业挖掘机维修维护费用过高导致该业务的盈利空间极小。因此为了降低挖掘机维修维护成本满足现场备品备件实际需求结合我公司的机械加工能力自主创新测绘研究设计转化制造出能满足使用要求的挖掘机小臂实现其国产化。以往挖掘机的新产品开发过程都是先进行前期设计设计完成后再进行样机试制然后经过现场挖掘试验或强度测试采用发现问题改进试验再修改的办法反复重复以上过程直到满足设计要求后再批量投产。这种开发过程的周期长、风险大、成本高。对于以绘类为主的新产品开发强度计算如果仍采用材料力学方法在对挖掘机结构件应力分布缺乏定量了解的情况下完成挖掘机小臂的设计则设计的结果很难满足实际的要求。并且挖掘机作业时小臂上承受的外载荷非常复杂一次循环工况小臂受力变化很大传统的材料力学分析或计划方法难以满足设计上的需要。所以非常有必要将现代设计方法和有限元方法应用于挖掘机小臂的结构设计和性能分析以提高我公司设计的替代挖掘机小臂的可靠性。从功能、效果上接近、达到甚至超过原设计件的性能。小臂的受力分析由于挖掘机主要工作在反铲状态因此本文重点分析挖掘机反铲工作时的受力情况。挖掘机反铲工作时其各装置的结构应力一般是按照经验工况来计算构件的载荷然后进行负载分析。然而在实际工作中反铲工作时小臂钢结构出现失效时刻挖掘位置往往不在这些经验工况并且挖掘机操作人员在挖掘过程中经常将小臂液压缸和铲斗油液压缸同时作为主动缸来进行复合挖掘掘姿态多种多样这就可能使小臂工作时比经验工况的受力更恶劣。当液压挖掘机进行复合挖掘且小臂液压缸和铲斗液压缸的主动力都能得到充分发挥即它们同时达到系统压力因此复合挖掘力对小臂等工作装置结构所产生的应力有可能比小臂缸或铲斗缸单独动作时所产生的应力大。反铲作业时的运动分析由于复合挖掘是对挖掘的整个范围进行分析则须对反铲工作进行运动分析以求出任意挖掘工况对应各部件的相对位置及相应的位置坐标。LL反铲工作时的几何位置取决于大臂液压缸的长度、小臂液压缸的长度LLLL和铲斗液压缸的长度当、和为某一组确定值时反铲工作就相应处于一个确定的挖掘姿势。如图示建立平面直角坐标系使x轴与地平面重合y轴与XY,LLL挖掘机回转中心线重合。斗齿尖V的坐标值表示为()当、和为一VVLL组定值时只有一组XV和YV值与其对应反之对于XV和YV的一组值却有许多组、L和值与其对应。图液压挖掘机结构简图图中:大臂液压缸大臂小臂液压缸小臂铲斗液压缸铲斗连杆机构大臂的运动分析)大臂瞬时转角θ及F点的坐标图大臂瞬时转角简图在图中的ABC中根据余弦定理知:,,,,ACBllLllarccos()()CACBCBCA,,BCUACB,α,大臂相对水平线瞬时转角为:,,,,,FCUBCU(),,式中分别为大臂回转平台的已知参数。,当F点在水平线CU之上时为正否则为负。F点的坐标为:XLX,cos(),FCYLY,sin(),()FCXY式中、为大臂根部铰点坐标。CCX,YL由上面的推导可知:和(,)是的函数。FFe)大臂液压缸对于铰点C的作用力臂在图中的中可得:ABCLLACBsin()CACB()e,LeeL,L是的函数当BA垂直于CA时大臂液压缸有最大作用力臂。maxCA小臂运动分析LL小臂上各点的坐标是和的函数。小臂机构与大臂机构性质类似他们都是曲柄滑块结构。图小臂瞬时转角简图,)求小臂的瞬时转角(小臂铰点F、Q连线与大臂铰点C、F连线的瞬时夹角)以图中的三角形DEF为研究对象根据余弦定理知:,,,,DFELLLllarccos()()DFEFDFEF,小臂瞬时转角为:,,,,,,,,,CFDEFGGFNDFE()CFDEFGGFN,,,,式中为可直接通过小臂结构参数进行推到计算。,当Q点在CF之上时为正反之为负。小臂挖掘切削行程长在挖掘过程中认为切土厚度为常数通常取小臂挖掘中,,的总转角为()。则Q点的坐标为:XLX,cos(),QF()YLX,sin(),QF将式代入得XLLX,cos()cos(),,,QC()YLLX,sin()sin(),,,QC(,)XY,L,,由上面的推导可知:是的函数是和的函数:小臂上的各铰点QQ,,相对于小臂都是固定的也都是和的函数。e)小臂液压缸作用力对于F点的作用力臂在图中的三角形DEF中由面积公式可得:ellDFEL,sin()()DFEFel,小臂液压缸最大作用力臂,此时。,DEFmaxEF铲斗及连杆机构的运动分析如图所示将铲斗和连杆机构作为研究对象分析其运动情况。图铲斗瞬时转角及连杆机构传动比计算简图L首先分析连杆机构的运动情况当给定了铲斗液压缸长度由原始参数及推导参数出发利用几何关系可依次求得以下参数:,,,,,,MGNLLLllarccos()()GNMNGN,,,,,,GNMLLLllarccos()()MNGNMNGN,,,,,,MHNLLLllarccos()()MNHNMHMNHN,,,,,,,,,,,,HNQlllll,,,,,cos(),HQHNNQHNNQ,,,,,,HQNLLLllarccos()()HQNQHNHQNQ,,,,,,HQKLLLllarccos()()HQKQHKHQKQ,,,,,,HKQLLLllarccos()()KQHKHQKQHKlllll,,,,,cos(),,NKNQKQNQKQ,,,,,,NHKLLLllarccos()()NHHKNKNHHK,,,,,式中为已知参数。lMNH,,,,,该机构可视为一带滑块的四连杆机构当H、M点重合时MHl,当H、M点不重合时。由于利波海尔实际机构中H与M重合的情况因此MHlMNH,,,,,有成立。MHe)铲斗连杆机构的传动比i和铲斗缸对Q的当量作用力臂的计算如图所示为了求i首先要求以下作用力臂:铲斗液压缸对N点的作用力臂为rl,sin(),()GN连杆HK对N点作用力臂为rl,sin(),()HN连杆HK对Q点的作用力臂为rl,sin(),()QKe由力矩平衡方程得到铲斗连杆机构的总传动比i和铲斗缸的当量作用力臂llsin()sin(),,rrGNQK()i,,rlllsin(),QVQVHNeil,,()QVierrr,,,,L显然都是的一元函数。,)铲斗相对于小臂的瞬时转角由图可得出铲斗瞬时位置转角为:,,,,,,,,,HQNHQK(),,,式中为已知的结构参数。,当V点在FQ之上时为正否则为负。小臂各铰点的受力分析下面求解小臂各铰点作用力的大小和方向。如图所示。取小臂和铲斗为研究对象小臂缸、铲斗缸及连杆机构各构件均可视为二力杆单元任意工况的的切F向挖掘力为,那么就可以计算小臂上各铰点力。W,)铰点E小臂油缸作用力及方向F由F点力矩平衡方程可以反求小臂液压缸的推力FDGRGRGR,,,,()WFFFF,F,()e铰点E作用力方向为小臂油缸与水平方向的夹角可由函数表示。,()DE图小臂液压缸挖掘时所决定的复合挖掘力计算简图)铰点G的作用力及方向F由Q点力矩平衡方程可以反求铲斗缸的主动作用力:FLGRGR,,,,()WQVQQ,()F,eF同理铰点G处作用力大小为其与水平方向的夹角为该力对铰点M,()GM作用力与水平方向的夹角为。,()MGF)连杆MK受力MKFLGR,,,WQVQ,()F,MKrr式中为连杆MK对Q点的作用力与水平方向的夹角,对铰点K作用力与水,()KM平方向的夹角为它们相差。,()MK,)摇杆MN对铰点N点的作用力及方向图铰点M受力简图图铰点Q受力简图所示由对M点的力平衡方程得:如图FFGMNFKMN,,,coscos()NKM式中:,,GMNGMNM与的夹角,可由反三角函数求出,,KMNKMNM与的夹角FF,,与的大小相等。KMMK铰点N的作用力与水平方向的夹角为。,()NM)求小臂与铲斗的连接铰点Q的受力以铲斗为独立的研究对象如图所示分别在x和y方向由力平衡方程可得:,,FFFFMK,,,,,cos()sin()cos(()),,,,,,,QxWWnMK,,,()FFFFMK,,,,,sin()cos()sin(()),,,,,,,QyWWnMK,FF,,,式中:WnW,)计算铰点F的受力取铲斗和小臂作为一个整体来进行分析其外力为各构件的重力和复合挖掘FF和力如图所示由平衡方程可以求出F点作用力在x和y方向上的分力。FxFy图小臂液压缸主动挖掘时所决定的复合挖掘力计算简图,,FFFFDE,,,,,cos()sin()cos(()),,,,,,,FxWWn,,,FFFFDE,,,,,,cos()cos()sin(()),,,,,,,FxWWnMK,()()GGGG工作装置的典型工况分析典型工况的选择是对结构进行性能分析的基础。典型工况是确定关键参数计算载荷的基础是对结构进行设计分析的重要依据。典型工况的具体分析说明如下:工况l大臂油缸、小臂油缸作用力臂最大F、Q和v三点共线,该位置大臂油缸和小臂油缸作用力臂最大铲斗齿尖、小臂与铲斗铰接点和小臂与大臂铰接点共线时的状态如图所示。图大臂缸和小臂缸力臂最大FQV三点共线状态工况大臂油缸和小臂油缸作用力臂最大铲斗油缸以最大当量力臂工作,该位置是大臂油缸和小臂油缸的作用力臂最大铲斗油缸的当量力臂最大时的工作状态如图所示。图大臂缸和小臂缸力臂最大铲斗当量力臂最大状态工况大臂和小臂受力最大时的状态该位置出现在大臂油缸全缩铲斗齿尖、小臂与铲斗铰接点和小臂与小臂油缸铰接点共线小臂油缸作用力臂最大处如图所示。该位置大臂和小臂将受到最大的力矩作用是大臂和小臂出现失效的危险工况。挖掘力相同时大臂和小臂承受的作用力最大。对该位置进行动静态强度分析是检验大臂和小臂最大变形和受力的最佳位置从而可以得出其失效原因。图大臂和小臂受力最大的状态工况最高卸载状态液压挖掘机处于该位置时小臂油缸和大臂油缸全缩铲斗处于垂直工作地平面向下位置如图所示(该状态工作装置先满斗上升到卸载位置时卸载目的是使装载车能装载尽可能多的物料。该状态是检验工装受到冲击时响应计算和检验工装动强度和应力的较好状态也是检验挖掘机是否发生共振的一个重要状态。图最高卸载状态工况停机面最大挖掘半径状态最大挖掘半径是挖掘机设计规范中对挖掘能力评价主要指标之一它决定挖掘机的挖掘范围。挖掘机处于该状态时小臂油缸全缩小臂与小臂油缸铰接点、小臂与铲斗铰接点以及铲斗齿尖处于共线位置且通过调整大臂油缸使铲斗齿尖为于地面上如图所示。液压挖掘机处于该状态工作装置下落将使挖掘机产生较大的冲击力挖掘时将受到较大的土壤阻力。图停机面最大挖掘半径状态工况最深挖掘位置处的状态最深挖掘位置处状态出现在大臂油缸全缩小臂与铲斗铰接点、小臂与小臂油缸铰点和铲斗齿尖共线并垂直于挖掘平面时如图所示。挖掘机处于该状态时铲斗中物料较多挖掘阻力较大铲斗、小臂和大臂都承受着较大的力作用。最深挖掘位置处得状态图工况油缸全缩时的状态油缸全缩时的状态即铲斗油缸、小臂油缸和大臂油缸全缩时液压挖掘机所状态如图所示。该状态是挖掘机设计规范中用于检验在不同挖掘角下处的挖掘阻力对工作装置的作用效果的典型位置。图油缸全缩时的状态编程求解小臂各铰点在经验工况的受力值小臂的有限元分析小臂的三维模型建立小臂三维模型主要是有多块钢板焊接而成都是使用的Mn钢材料应用三维建模软件得到小臂的模型如下图:

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