挖装机工作装置的静力学分析和模态分析有fq

摘要：木文运用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。

跟挖掘机一样其工作装置（如图1挖装机工作装置结构）依然是研究的重点，静力学分析和模态分析又是工作装置动力学中不可缺少的二大方面。

故而本文对挖装机的动臂和斗杆这二个工作装置中较为重要的构件进行了静力学分析和模态分析。

挖装机工作装置的旋转不同于挖掘机的旋转方式，而是通过油缸拉动工作装置底座和回转前件來实现的。

限于篇幅，本文不对偏转工况进行求解分析。

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狡点上的力。

这里运用经典的理论力学进行求解。

1.1计算工况的选择
本文对徳国Schaeff公司的ITC 312-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,挖装机计算工矿
1.2油缸推力
厶 sin
P • sin
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 压缸的受力也就是一个确定的值。

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。

式中 玖一挖装机的扒渣阻力；（将原来的扒渣阻力简化为一个合力 并作用于铲斗的重心）
耳一挖装机的切向挖掘力;
L L 切向挖掘力对铲斗和斗杆的狡接点M 的力臂;
Ls —铲斗和斗杆的餃接点M 到连杆JL 的葩离；
凡厶+耳厶2
L】L挖装机的扒渣阻力到铲斗和斗杆的狡接点M得力臂；
a—连杆JL与KJ连杆夹角；
B —铲斗油缸作用力方向与连杆KJ的夹角。

（2）斗杆油缸的工作压力：
F _尺’厶+代w厶+巧厶4 （2）
2 4
式中•一挖装机的法向挖掘力；
L2, L9, L H, 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狡接点H的力臂;
（3）接头油缸的工作压力:
式中L3, L W,L XS, L：一切向挖掘力，法向挖掘力，扒渣阻力，接头油缸
工作压力对回转后件和动臂的餃接点D的力臂;
（4）动臂油缸的工作压力；
F _代•上4 +代”厶1 +巧厶5 （4）
厶
式中L.… L u, L15, Ls-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较接点0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:
心=C[R(\-C os(p ma J i5BAZX+D臨=0.2 化”(5)式中C—表示土壤硬度的系数；
R_铲斗与斗杆狡点至斗齿尖距离，即转斗切削半径，单位为cm；%
邯一挖掘过程中铲斗总转角的一半；
B—切削刃宽度影响系数，B = l + 1.26b,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-带有斗齿的系数；
X-斗侧壁厚度影响系数，X=l + 0.0«,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，其扒渣阻力玖由儿部分组成
F q = F d + F x + F w(6)
化一堆积土堆的移动阻力
F s -斗内侧壁与土壤的摩擦阻力
化一斗外侧壁与土壤的摩擦阻力
其中化=為+励⑺
為一土壤与斗内底的摩擦力，N
巴2 一被推移土体的土壤重力造成的摩擦力,N
土壤与斗内底的摩擦力
&一铲斗瞬时回转角，单位度；
t—挖掘深度，单位m ；
7—土壤的密度；
仪5—砾石与钢的摩擦系数。

被推移土体重力造成的摩擦力
Fd2 = °・5Fd2max =
(9)
Wmax—扒进砾石的最大体积，M),选取铲斗最大的截面积计算，
挖掘最远葩离考虑砾石自然坡角。

—砾石的内摩擦系数。

本工况取最大值的一半。

斗内侧壁与土壤的摩擦阻力：
F“=2KAib”g§/Kjb(1
0) 式中K,一一侧压系数，取0. 2,人一斗内侧面积皿$,通过计算取0. 32, Y b—铲斗长度，m,取1, K(—松散系数，取1. 4
斗外侧壁与土壤的摩擦阻力：
F、=2KAtbHg"K,Yb(ID
A f—斗外侧面积，单位nr o
1.4各狡点反力的计算
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较点的反力:
(12) (13)
式中 F ：—
图5斗杆受力简图 由图4得到:
F依=G + + Gj + G4 + $ + G& —尺s in & —臨
法向挖掘力;
Fwt—切线挖掘力;
Gi, G：, G3, Go G5, G6 —斗杆重力，铲斗油缸重力，连杆连杆JK
重
力,连杆JL重力，铲斗重力，铲斗内土的重力（取斗容量的一半即0. 25t）；
0-斗杆油缸工作拉力的水平夹角;
由图5得到:
F M V=
G X-F2 sin 0一F lly -斤sin e+ F灯sin g(15 )
= F{(ctg a sin 0-cos0) (16) 式中Fi—铲斗油缸工作拉力；
Fw—连杆KJ对斗杆的作用力；(通过在J点的平衡方程可以求得)。

一连杆JL与KJ连杆夹角；
B —铲斗油缸作用力方向与连杆KJ的夹角；
§一连杆力F KJ的水平夹角；
Q-斗杆的竖直夹角；
由图6得到：
F E X=F H X-F3COS(p-F2 cos 0( 17 )
F Ey = G7 + G8 + G9 + F2 sin sin 0+ F Uy(18)
式中珀一接头油缸工作拉力；
G；, G3, G9—转向油缸的重力，回转后件的重力，回转前件的重力;
巾一接头油缸工作拉力的水平夹角；
F()x = F K
F y cos^?+ F4 cos 2 ( 19)
X+
F Oy = Go - 行sin 兄-耳sin © + F Ey( 20)
式中冉一接头油缸工作拉力；
Gio—动臂的重力；
§-动臂的水平夹角；
入一动臂油缸工作拉力的水平夹角；
由公式1-15可以求得在其他油缸都收缩闭锁时，只有铲斗油缸伸缩工
况下的各钱点反力。

带入结构数据后计算得到各点反力如表1。

表1各餃点的力
各一动臂的水平夹角；Q-斗杆的竖直夹角;
2.静力学分析
静力学分析主要是校核各构件的强度，根据表计算所得到的数据，运用ansys 进行其强度的求解。

2.1模型的建立
根据实际的测绘数据运用solidworks进行建模，可将其部件或整体导入ansys进行分析。

这里选择动臂和斗杆进行分析。

2.2模型前期处理
将斗杆和动臂的三维模型导入ansys得到如图8,图9,选择斗杆和动臂的材料为Q235,其材料属性如表2。

导入模型后要将模型进行调整，以使其重力与实际情况相符。

图8动臂ansys模型，图9斗杆ansys模型
业时，
其最大值为cr max = \62MPa，斗杆最表2 Q235材料属性
弹性模量Pa泊松比密度kg/n?
2.0*10"0. 37850
由于是导入的模型，因此选择solid92单元进行静力分析，Solid92实
体单元是有二次方位移和能很好划分不规则的网格（譬如由各种各样的
CAD/CAM系统生成的模型）。

网格的划分采用ansysH带的生成四面体单元的自动网格划分，只是控制其最大最大的网格的尺寸为20mm。

因为计算的到得都是集中力，故餃点的处理采用刚性区域的方法，这样就可以很方便的进行力的加载。

根据实际情况，位移约束分别添加在动臂与底座的較接点和斗杆与回转前件的狡接点，限制其六个自由度。

2.3静力学结果分析
Ansys计算后得到如图10,图11,由斗杆应力云图可以看到在本工况作
大位移为2. 2mmo
图10斗杆位移图图11斗杆应力云图由动臂的应力云图可知在本工况下作业时，狡点和动臂主结构相连处
有最大的应力，值为o-max = 132^,动臂最大位移为1. 5mm。

»*»•->
g -. ccn» wa 1S12
由以上分析我们得出，在本工况下工作时，挖装机的动臂和斗杆都没 有较大
的位移，其最大的应力值也在Q235的容许范围以内。

应此在本工况 下工作时，斗杆和动臂是安全的。

3. 模态分析 3.1模型前期处理
导入模型后，添加表2的材料属性。

选择solidl86单元进行模态分析， solidl86单元对外界导入的模型分析能更为精确。

网格的划分采用ansys 自带的生成四面体单元的自动网格划分，只是控制其最大最大的网格的尺 寸为20mm 。

采用
ANSYS 提供的模态分析BlockLanczds 方法，因为其采用 稀疏矩阵方程求解器，
运算速度快，参数输入少，求解精度高。

根据实际 情况，零位移约束分别添加在动臂与底座的餃接点和斗杆与回转前件的狡 接点处。

3. 2模态结果分析
对斗杆进行模态求解，提取前6阶模态得到表3,其振型主要有水平、竖直 摆动，以及水平、竖直方向上的弯曲，还有整个结构的扭曲，如图14所示。

表3斗杆前6阶模态分析结果
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图12动臂
位移
(a)第一阶振型(b)第二阶振型
(c)第三阶振型(d)第四阶振型
(e)第五阶振型(f)第六阶振型
图14斗杆的主要振型
对动臂进行模态求解，提取前7阶模态得到表，其主要阵型有竖直、水平方向的摆动，竖直、水平方向的弯曲，竖直、水平方向的鼓起，还有整体的扭曲,如图15所示。

(e)第五阶振型
(f)第六阶振型
表
动臂前阶模态分析结果
(a)第一阶振型 (b)第二阶振型
(c)第三阶振型 (d)第四阶振型
(g)第五阶振型
图15动臂的主要振型
由以上分析我们得到了挖装机动臂和斗杆的各阶振型和各阶固有频率。

挖装机外界的激励源主要来自土壤挖掘时的冲击阻力以及油缸中油压的波动，其工作频率要远低于自身的固有频率，应此不会与外界激励产生共振。

本挖掘机的转速在
4.结论
本文运用ansys对隧道挖装机在一种典型工况下，动臂和斗杆的静力学和动力学模态分析，得出了该种典型工况下的静力强度和刚度以及前儿阶的固有频率和各阶振型特点。

为挖装机的后续研究提供了有一定价值的方法和数据。