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工作裝置作為裝載機(jī)的作業(yè)機(jī)構(gòu)，其性能的好壞直接影響到裝載機(jī)的使用性能。而作為工作裝置主要部件之一的動(dòng)臂，其結(jié)構(gòu)尺寸、受力情況對(duì)整個(gè)工作裝置的性能發(fā)揮起著重要的作用。傳統(tǒng)的動(dòng)臂強(qiáng)度分析通常使用材料力學(xué)方法，將動(dòng)臂假設(shè)為梁，這與實(shí)際結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)，計(jì)算誤差大，難以反映動(dòng)臂的真實(shí)變形和應(yīng)力分布情況。傳統(tǒng)的動(dòng)臂優(yōu)化設(shè)計(jì)需要建立大量的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行編程計(jì)算，過程繁瑣復(fù)雜針對(duì)上述問題，本研究以某型裝載機(jī)為例，使用通用經(jīng)典點(diǎn)的三維實(shí)體分析軟件Pro/Engineer(簡(jiǎn)稱Pro/E)對(duì)裝載機(jī)工作裝置的動(dòng)臂進(jìn)行有限元分析，并以動(dòng)臂的外形尺寸為最小優(yōu)化目標(biāo)、以動(dòng)臂鏟掘位置時(shí)的受力大小為約束條件對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行優(yōu)化研究。
將在Pro/E下建立的動(dòng)臂三維實(shí)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(dòng)臂厚度小于中面輪廓的1/5，由薄殼理論假設(shè)采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，共得到2205個(gè)四面體單元。由于是對(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)臂與車架的鉸接點(diǎn)、動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸接點(diǎn)和動(dòng)臂與搖桿鉸接點(diǎn)處施加固定約束。由裝載機(jī)整機(jī)縱向穩(wěn)定條件知，作用于裝載機(jī)鏟斗的最大垂直載荷Ry為Ry=GsL2/L3(1)，式中：Gs為裝載機(jī)自重，L2為裝載機(jī)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(duì)象，分別取鏟斗、拉桿、搖臂和動(dòng)臂為隔離體進(jìn)行靜力學(xué)分析計(jì)算，得到轉(zhuǎn)斗油缸的作用力P：K1為連桿機(jī)構(gòu)摩擦損失系數(shù)，l4為轉(zhuǎn)斗油缸到搖桿中間鉸接點(diǎn)的距離，l3為搖桿中間鉸接點(diǎn)到連桿鉸接點(diǎn)的距離，l5為鏟斗與連桿鉸接點(diǎn)到鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)的距離，l6為鏟齒齒尖到鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)的距離，Ng為最大鏟起力，l7為鏟斗重心到鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)的距離，GK為鏟斗自重。
對(duì)三維實(shí)體動(dòng)臂模型求解分析，得到動(dòng)臂在鏟掘位置時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變分布，如圖所示。
從圖可看出，動(dòng)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(jì)算得到的結(jié)果基本符合。該動(dòng)臂經(jīng)過校核檢驗(yàn)，具有足夠的強(qiáng)度和剛性，滿足某型裝載機(jī)的工作要求。
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