【文章內(nèi)容簡介】 本文是對挖掘機進行動力學(xué)及有限元仿真分析，適應(yīng)我國礦用挖掘機發(fā)展的需要，充分利用前人的研究成果和已有的實驗數(shù)據(jù)，在 Pamp。H2300 的基礎(chǔ)上對斗容為 27 的大型礦用機械式電鏟挖掘機斗桿進行分析。在正確地分析載3m荷和合理地建立模型的基礎(chǔ)上，對其進行動態(tài)分析，從而提高設(shè)計質(zhì)量，減少試驗環(huán)節(jié)，加快設(shè)計周期，這對我國挖掘機行業(yè)的機械設(shè)計具有一定的理論和實際參考價值。 本論文研究的內(nèi)容本課題的目標(biāo)是對斗容為 27 的礦用機械式挖掘機斗桿的動力學(xué)及有限3m元仿真分析。主要內(nèi)容如下：（1）分析大型礦用機械式挖掘機斗桿的設(shè)計要求和設(shè)計方法，在 UG 中建立挖掘機斗桿模型，并導(dǎo)入 ANSYS 中進行有限元分析；（2）探討基于特征的參數(shù)化建模技術(shù)，構(gòu)建挖掘機斗桿特征參數(shù)化模型；（3）建立挖掘機斗桿有限元分析模型，分別對兩種典型工況下斗桿的靜力進行分析。第 2 章 斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計 礦用挖掘機工作裝置簡介機械式單斗挖掘機是挖掘機的一種，用一個鏟斗以間歇重復(fù)的工作循環(huán)進行工作，即由挖掘、滿斗回轉(zhuǎn)至卸載點、卸載、空斗回轉(zhuǎn)至挖掘地點等四個工序構(gòu)成一個工作循環(huán)。在作業(yè)過程中挖掘機位置是不變的，直至將一次停機范圍內(nèi)的土壤挖完，挖掘機才移動到新的作業(yè)地點。為完成上述動作，單斗挖掘機應(yīng)具有以下部分：1）工作裝置 包括挖掘土壤的鏟斗、斗桿，提升機構(gòu)、推壓機構(gòu)、動臂、斗底開啟機構(gòu)等。2）回轉(zhuǎn)支撐裝置 回轉(zhuǎn)機構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺、回轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)等。3）行走裝置 履帶行走機構(gòu)、底架、履帶架等。4）動力裝置和附屬設(shè)備 電動機—發(fā)電機機組、操縱裝置、潤滑裝置等。圖 21 大型礦用挖掘機外形 單斗挖掘機如圖 21 所示，主要由單鏟工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置及行走裝置三大部分組成。單鏟工作裝置主要由動臂 斗桿 鏟斗 推壓裝置 4 和提升鋼絲繩 5 組成。動臂下端鉸接于平臺上，上端用支架 6 上的變幅鋼絲繩保持其位置固定，調(diào)節(jié)變幅鋼絲繩的長度，可以調(diào)整動臂的傾角。鏟斗提升是靠提升電機拉動提升鋼絲繩，下降則靠鏟斗自重。為確保挖掘，推壓齒輪能夠推出斗桿，斗桿隨鏟斗的提升下放可繞推壓軸轉(zhuǎn)動。礦用正鏟挖掘機在露天采礦中大多是用來鏟裝爆破后的松散礦石，故其挖掘過程實質(zhì)上也就是鏟裝過程。當(dāng)挖掘機鏟裝松散礦石時，其循環(huán)過程主要是：通過行走機構(gòu)使挖掘機靠近作業(yè)場所；放松提升鋼絲繩下放鏟斗，在提升機構(gòu)和推壓機構(gòu)配合下鏟裝礦石；裝滿后將鏟斗提升到一定位置，利用回轉(zhuǎn)機構(gòu)將鏟斗轉(zhuǎn)到卸載地點，開啟斗底，物料借助自重卸載，然后空斗回轉(zhuǎn)，從而完成一個工作循環(huán)。機器的移動并不是每一個工作循環(huán)都需要進行的，只有在需要鏟裝的礦石不在機構(gòu)作業(yè)范圍內(nèi)時才移動。其工作的主要特點是：； ，以此滿足挖掘工作的需要；，因有足夠大的提升力和推壓力，故可以用于裝硬度大的巖石和挖掘各級土壤。 斗桿的結(jié)構(gòu)分析 在進行單斗挖掘機設(shè)計時，已初步確定鏟斗容積、外形尺寸和工作尺寸等參數(shù)，對于鏟斗作撓性聯(lián)系的挖掘機來說，如拉鏟、抓斗等，其工作裝置的尺寸即可相應(yīng)地予以確定，但對于鏟斗作剛性聯(lián)系的正鏟挖掘機的工作裝置的設(shè)計，因為其工作裝置在滿足同樣工作尺寸的條件下，可以有不同的結(jié)構(gòu)方案。因此，在設(shè)計中要想得到較好的結(jié)構(gòu)方案，必須對工作裝置的結(jié)構(gòu)做深入的分析、比較，才能取得一個良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 本次設(shè)計中的斗桿裝置采用雙梁外斗桿結(jié)構(gòu)。材質(zhì)選擇 20 號鋼，由于 20號鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，而 Q235 是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，同等條件下 20 鋼防腐蝕性能更強，因為其雜質(zhì)含量少，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的幾率低，所以總體說來20 號鋼的綜合性能比 Q235 鋼的好。該斗桿是由箱形截面的雙梁構(gòu)成。在靠近鏟斗的一端，兩側(cè)梁用中間橫梁連接起來。該橫梁用一個鋼板焊接成的，它把兩側(cè)斗桿連接起來。橫梁與每一側(cè)斗桿都用三個螺釘連接，其中兩個螺釘做成偏心的，可用來調(diào)節(jié)兩個側(cè)梁是否處于一個水平面內(nèi)。雙梁斗桿可以承受的載荷較大，并能承受由于挖掘時的偏心作用而產(chǎn)生的扭力，以及回轉(zhuǎn)時鏟斗和斗桿自重造成的慣性力矩。 斗桿的設(shè)計計算正鏟工作裝置的斗桿的標(biāo)準(zhǔn)長度可按下式近似求得： （21） ??3GKLpbi?式中 ——標(biāo)準(zhǔn)的斗桿長度，[ ]為 ；??bil lm ——挖掘機的工作重力，[ ]為 ；GN ——經(jīng)驗系數(shù)，取 。pK普通結(jié)構(gòu)的帶有懸梁的標(biāo)準(zhǔn)正鏟鏟斗斗重 (單位為 )和鏟斗容積dGK(單位為 )的關(guān)系可按下式求得：q3m （22）qd0?式中 ——經(jīng)驗系數(shù)，查表取 15。0K由式（22）得： KNGd45271?正鏟工作裝置的斗桿的質(zhì)量可按下式計算： （23）dbiG1)(?式中 ——標(biāo)準(zhǔn)長度的斗桿的質(zhì)量；)(bi ——帶有懸梁的標(biāo)準(zhǔn)鏟斗的質(zhì)量；dG ——經(jīng)驗系數(shù)。1K由式（23）得：取 ，則 ；?KNGbi ?? 取 , 則 。80328工作裝置總重 （24）bidG??0式中 ——工作裝置總重。0G由式（24）得： KN12963456740大型礦用挖掘機工作裝置的質(zhì)量大約占整個挖掘機工作質(zhì)量的 17%，.??將上述結(jié)果代入式（21）： 取 ，則斗桿長度為 。斗桿鉸接端端面高度： ?斗桿小梁寬度： .?斗桿小梁高寬比為 ，則斗桿小梁高度為 。 斗桿應(yīng)力的計算桿單元的應(yīng)力分為兩項：正應(yīng)力 和剪應(yīng)力 ，它們均由各應(yīng)力迭加而成,其??中正應(yīng)力 （2=+byzx???5）式中 —約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力, ,其中,B 為雙力矩 (N?m2), 為廣義扇?BI?????性面積(m 2), 為廣義扇性慣矩(m 6)；2FId???—彎曲正應(yīng)力， （2by?MbyyzI?6）；—彎曲正應(yīng)力， （2bz bzzI??7）；—拉伸正應(yīng)力， （2x?xNA8）剪應(yīng)力 （2PHbyz?????9）式中 —約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力， ； （2?MSIt????10）—自由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力， ； （2p?pnAt?11）， —剪力引起的剪應(yīng)力，by?z， （212）byzQSIt??bzyQSIt???應(yīng)力計算時考慮以下兩個條件：(1) 在內(nèi)力最大的截面上或內(nèi)力組合最大的截面上計算。(2)在截面上應(yīng)力最大點處迭加各應(yīng)力分量。求得了單元的內(nèi)力后,根據(jù)單元的截面幾何特征便可作應(yīng)力計算。因為正應(yīng)力最大處，約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為零，且約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力影響較小，所以在此不考慮約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，本文主要分析斗桿因為正力發(fā)生的應(yīng)變。第 3 章 斗桿模型的建立 概述 應(yīng)用軟件 UG 簡介 UG 是 Unigraphics Solutions 公司(簡稱 UGS)為廣大客戶提供的一種基于 WINDOWS 平臺的設(shè)計軟件，主要為汽車與交通、 航空航天、日用消費品、通用機械以及電子工業(yè)等領(lǐng)域通過其虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VPD)的理念提供多級化的、集成的、企業(yè)級的包括軟件產(chǎn)品與服務(wù)在內(nèi)的完整的 MCAD 解決方案。其主要的 CAD 產(chǎn)品是 UG。 UG 公司的產(chǎn)品主要有為機械制造企業(yè)提供包括從設(shè)計、分析到制造應(yīng)用的 Unigraphics 軟件、基于 Windows 的設(shè)計與制圖產(chǎn)品 Solid Edge、集團級產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) iMAN、產(chǎn)品可視化技術(shù) ProductVision 以及被業(yè)界廣泛使用的高精度邊界表示的實體建模核心 Parasolid 在內(nèi)的全線產(chǎn)品。 UG 在航空航天、汽車、通用機械、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械以及其它高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機械設(shè)計和模具加工自動化的市場上得到了廣泛的應(yīng)用。多年來，UGS 一直在支持美國通用汽車公司實施目前全球最大的虛擬產(chǎn)品開發(fā)項目，同時 Unigraphics 也是日本著名汽車零部件的制造商 DENSO 公司的計算機應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，并在全球汽車行業(yè)得到了很大的應(yīng)用，如 Navistar、底特律柴油機廠、Winnebago 和 Robert Bosch AG 等。另外， UGS 公司在航空領(lǐng)域也有很好的的表現(xiàn)：在美國的航空業(yè)，安裝了超過 10,000 套 UG 軟件；在俄羅斯航空業(yè)，UG軟件具有 90%以上的市場；在北美汽輪機的市場，UG 軟件占 80%。UGS 在噴氣發(fā)動機行業(yè)也占有領(lǐng)先地位，擁有如 Pratt amp。 Whitney 和 GE 噴氣發(fā)動機公司這樣的知名客戶。航空業(yè)的其它客戶還有：B