陆军装备部驻西安地区军事代表局 陕西西安 710000
【摘 要】装载机前车架的结构强度决定了装载机安全性能,本文以某型装载机的前车架为模型建立有限元模型,选取了3种典型工况形态,并对各个工况形态进行分析,分析选出前车架受力点,为日常监督指明重点, 也给前车架设计、生产、维修、使用和改进提供参考。
【关键词】装载机;前车架;典型工况;有限元;监督
一、引言
装载机是重要的土方作业机械。而前车架作为装载机重要工作装置和承载部件,不仅是连接前桥、后车架的枢纽,其结构强度也直接影响着整机的安全性[1]。本文以某型高速装载机前车架为对象,根据装载机的作业实际情况选取出3种典型工况形态,建立模型进行有限元分析,找出其危险工况,给结构设计、生产制造和监督检验提供参考依据。
二、前车架典型工况
装载机按照其作业功能划分有4种典型作业工况:铲装工况、运输工况、卸载工况和平整工况;但考虑实际作业和作业过程中的特殊情况可进一步对这些工况进行筛查、合并,特别是根据铲斗的作业情况进行细化合并分类,可得出描述装载机工作状态的3种典型工况形态:正载工况、偏载工况和最大崛起力工况三种形态。其中正载工况形态是装载机理想作业工况,该工况形态条件下装载机铲斗位于地面,插入和掘起进行联合作用;偏载工况形态是装载机铲斗平放地面,插入物料时因物料松散程度不一样,导致物料重心偏载,插入过程中并配合崛起作业,即铲斗为保持作业状态,一侧受力大于另一侧而形成的作业稳定状态;最大崛起力工况形态是装载机作业时,崛起过程中受阻或铲运货物过重,铲斗油缸或举升油缸发挥最大力并造成后轮离地的情况。
由于装载机主要通过铲斗工作实现功能,3种典型工况形态可以描述为铲斗对相应部件的强度和极限考验,根据装载机结构特点,我们不难看出正载工况形态是主要考量前车架各部件正常受力情况,即“理想状态”;偏载工况形态是铲斗对前车架强度和刚度极限考验,特别是对前车架铰接板考验,这是一种“常见状态”;最大崛起力工况形态是对前车架强度和刚度一种极限考验,这是一种“偶发状态”。不难看出前车架的质量、强度直接关系装载机功能性能的实现和安全性考量,在此基础上,对前车架进行建模、分析,进一步分析得出哪种工况最为危险,对装载机结构和操作安全有较大影响,进而给设计、使用、维修、监督、制造以相应的关注重点。
三、有限元分析
以该型装载机前车架为研究对象,建立前车架三维实体模型,并利用分析软件进行网格划分,对以上典型工况形态进行受力加载和约束限制进行有限元分析,并在一定的强度评价指标下获得车架的应力分布[2]。考虑到前车架的材料多为Q345-B钢材,结构的失效形式一般为塑性屈服,和实验较符合,故在强度分析时一般采用第四强度理论,考虑主应力2的影响,在强度评价中通常采用第四强度理论导出的等效应力
e(又称Von Mises应力)来评价[3]。依据上述的第四强度理论,在已有的实体单元有限元模型的基础上开展相应的有限元分析,可以得到3种工况形态下的分析结果。
1.正载工况形态应力云图
施加了边界条件的有限元模型前车架应力云图如图1至图4所示。通过分析,不难看出应力集中区域主要为:前车架与动臂铰接处、前车架与车轮连接处、前车架与前桥连接处(图中红色圆圈标注区域),此状态形态下前车架主要受力点分布在前车架与动臂铰接处、前车架与车轮连接处、前车架与前桥连接处,因此在设计时,要充分考虑这些受力点的情况和材料选择,在生产过程中要格外注重焊接、组装过程的质量控制,否则就会因为设计冗余不够造成相关质量问题,或因加工装配质量不合格导致装载机功能性能下降甚至发生严重安全事故。
| 图2 |
图3 | 图4 |
图1-图4正载工况应力云图
2.偏载工况应力云图
施加了边界条件的有限元模型前车架应力云图如图5至图8所示。可以看出由于物料重心偏移,动臂传来的力和力矩更加集中于某一侧,同时该工况形态下地面反作用力和制动力不均匀作用于两侧车轮,因此前车架与动臂铰接处、前车架与车轮连接处为主要受力点(图中红色圆圈标注区域)。
图5 | 图6 |
图7 | 图8 |
图5-图8偏载工况应力云图
3.最大崛起力工况应力云图
施加了边界条件的有限元模型前车架应力云如图9至图12所示。可以看出此工况形态下,装载机动臂需要足够的提升力,产生较大的力和力矩,并通过铰接部位传递到前车架上,应力加大位置主要集中在动臂耳座、侧板、立板、侧板与横梁连接处(图中红色圆圈标注区域),这就要求前车架该部位要有足够的强度、刚度,能够承受住较大的载荷和冲击,同时在此工况形态下,前车架与车轮连接部位也会受到较大的地面反作用力和制动力,对强度刚度要求也要做出相应的回应。
图9 | 图10 |
图11 | 图12 |
图9-图12 最大崛起力应力云图
四、结论
根据应力分析结果,我们可以得出:一是偏载工况形态是危险工况形态,二是3种工况形态影响前车架质量、功能性能及安全性的相同因素主要有:一是材料的选择和结构设计;二是前车架与动臂铰接处、前车架与车轮连接处、前车架与前桥连接处的质量。
因此在研制阶段,军代表应格外关注其材料的选择和结构设计的强度,确保相关指标能够满足危险工况形态需求,在试验验证环节要对前车架与动臂铰接处、前车架与车轮连接处的试验情况格外关注,确保各项设计指标满足要求且可靠;在生产阶段,把前车架纳入关重件监督范围,除了关注前车架本身的加工质量,对其装调质量也要关注,特别是在为部队技术服务或者维修保障时,要重点检查前车架与各功能部位连接处状态,及时维护保养和更换易损易耗件,现场培训要讲清楚日常使用中前车架部位需要格外关注事项、维修检修方法和常见故障排除,特别是偏载工况形态下的使用和维修。
综上所述,偏载工况形态是危险工况形态,其质量程度直接决定了装载机性能功能和安全性,在设计、生产和售后阶段需要军厂双方的共同关注以确保装备质量稳定、可靠。
参考文献
[1] GB/T 10175.2-2008, 土方机械 装载机和挖掘装载机 ,2008.
[2] 张明. 轮式装载机前车架有限元分析.西北农林科技大学,2011.
[3]王继新,沈勇,胡季. 基于虚拟零件轮式装载机前车架有限元分析.煤矿机械,2010,31(4):93-95.