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工作裝置作為裝載機的作業(yè)機構(gòu)，其性能的好壞直接影響到裝載機的使用性能。而作為工作裝置主要部件之一的動臂，其結(jié)構(gòu)尺寸、受力情況對整個工作裝置的性能發(fā)揮起著重要的作用。傳統(tǒng)的動臂強度分析通常使用材料力學(xué)方法，將動臂假設(shè)為梁，這與實際結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)，計算誤差大，難以反映動臂的真實變形和應(yīng)力分布情況。傳統(tǒng)的動臂優(yōu)化設(shè)計需要建立大量的數(shù)學(xué)模型，并對模型進(jìn)行編程計算，過程繁瑣復(fù)雜針對上述問題，本研究以某型裝載機為例，使用通用經(jīng)典點的三維實體分析軟件Pro/Engineer(簡稱Pro/E)對裝載機工作裝置的動臂進(jìn)行有限元分析，并以動臂的外形尺寸為最小優(yōu)化目標(biāo)、以動臂鏟掘位置時的受力大小為約束條件對動臂進(jìn)行優(yōu)化研究。
將在Pro/E下建立的動臂三維實體模型導(dǎo)入到Pro/MECHANICA模塊中，定義材料屬性為16Mn，彈性模量E=2.1×E5 MPa，屈服極限δs=361 MPa，泊松比μ=0.275，密度為7870 kg/m3。考慮到動臂厚度小于中面輪廓的1/5，由薄殼理論假設(shè)采用自動網(wǎng)格劃分，共得到2205個四面體單元。由于是對動臂在鏟掘位置的靜力學(xué)分析，為限制模型的剛體位移，在鏟掘位置對動臂與車架的鉸接點、動臂與動臂油缸鉸接點和動臂與搖桿鉸接點處施加固定約束。由裝載機整機縱向穩(wěn)定條件知，作用于裝載機鏟斗的最大垂直載荷Ry為Ry=GsL2/L3(1)，式中：Gs為裝載機自重，L2為裝載機重心至后輪軸線的水平距離，L3為斗尖至后輪軸線的水平距離。以工作裝置為研究對象，分別取鏟斗、拉桿、搖臂和動臂為隔離體進(jìn)行靜力學(xué)分析計算，得到轉(zhuǎn)斗油缸的作用力P：K1為連桿機構(gòu)摩擦損失系數(shù)，l4為轉(zhuǎn)斗油缸到搖桿中間鉸接點的距離，l3為搖桿中間鉸接點到連桿鉸接點的距離，l5為鏟斗與連桿鉸接點到鏟斗與動臂鉸接點的距離，l6為鏟齒齒尖到鏟斗與動臂鉸接點的距離，Ng為最大鏟起力，l7為鏟斗重心到鏟斗與動臂鉸接點的距離，GK為鏟斗自重。
對三維實體動臂模型求解分析，得到動臂在鏟掘位置時的應(yīng)力應(yīng)變分布，如圖所示。
從圖可看出，動臂大部分的應(yīng)力值較小，在轉(zhuǎn)斗油缸的支承板位置上受到的最大應(yīng)力值為256 MPa，這與采用傳統(tǒng)計算得到的結(jié)果基本符合。該動臂經(jīng)過校核檢驗，具有足夠的強度和剛性，滿足某型裝載機的工作要求。
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