装载机工作装置结构分析与试验研究成果

万一品＊＊贾洁梁佳宋绪丁
(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，西安710064)

DOI:10.16579/j．issn．1001.9669．2016．04．019

*20160302收到初稿，20160426收到修改稿。国家科技支撑计划项目(2015BAF07B02)，中央高校基本科研业务费专项资金项目(310825163407，310825161005)资助 
＊＊万一品，男，1988年12月生，汉族，河南邓州人，博士研究生，主要研究方向为机械结构动态载荷测试与结构强度研究。

摘要：为获得装载机工作装置载荷谱测点位置，全面评估工作装置的结构强度与疲劳强度。建立铲斗受力模型，利用六面体单元和接触单元对工作装置整体结构进行有限元建模，采用典型工况法对工作装置结构强度进行仿真和试验研究，结果表明仿真值与实测值基本吻合，两者误差在1.6%～7.3%之间，从而有效地确定了载荷测点位置区域。采用Goodman疲劳极限线图法对工作装置结构测点位置的疲劳强度进行评估，试验测点的应力仿真值和试验值都在Goodman曲线范围以内，表明结构满足疲劳强度要求。将静强度校核与疲劳强度评估相互结合，获得了一种较为完整的结构强度分析方法。结构强度分析与试验结果为装载机工作装置载荷谱测试与疲劳寿命分析提供依据。

关键词：装载机　工作装置　结构强度　疲劳强度

AbstractIn order to obtain the positions of load spectrum measuring points of the loader working device，the structural strength and fatigue strength of the working device were evaluated．The bucket force model was set up and the working device finite element model was builted．The method with typical operating conditions was used in simulation and experimental research on the structure strength analysis．The results showed that the simulation results agree well with the measured values，and the error of them between the 1.6%～7.3%，so as to effectively determine the load measuring point location area．Goodman fatigue limit diagram method was used to evaluate the fatigue strength of the measuring point．The results showed that the structure satisfied the requirements of fatigue strength．The static strength and fatigue strength evaluation were combined to obtain a more complete structural strength analysis method．Structural strength analysis and test results provide bases for the load spectrum test and fatigue life analysis of the loader working device．

Key wordsLoader;Working device;Structural strength;Fatigue strength

The project supported by the National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology(No．2015BAF07B02)，and the Fundamental Research Funds for the Central Universities(No．310825163407，310825161005)．

Manuscript received 20160302，in revised form 20160426．

装载机工作装置主要实现物料铲装与转运，在作业过程中受到物料重力、铲掘阻力等外载荷影响［1］。在一个作业循环中工作装置作业姿态复杂多变导致工作装置工况复杂。装载机工作装置结构强度的变化将直接影响工作装置作业效率、作业稳定性以及结构疲劳寿命，因此对装载机工作装置的结构强度研究具有重要意义。文献［2-3］对工作装置强度分析时的外载荷计算方法进行了研究，推导了外载荷计算数学公式;文献［4-5］建立了工作装置的三维模型，通过有限元法选取典型工况进行仿真分析，获得动臂等结构的有限元计算应力值;文献［6］分析了不同铲掘阻力下工作装置结构强度的变化，获得了插入阻力作用点位置与结构强度变化的关系;文献［7］将连杆结构视为柔性体，对工作装置进行了刚柔耦合动力学仿真分析。上述文献利用有限元技术对装载机工作装置进行了静力学分析，并进行静强度校核，得到了一些可以参考的结果。然而，装载机工作装置结构应力较大位置处存在应力集中现象，在承受复杂多变的动态载荷作用下，结构会在低于静强度要求的受载状态下发生无明显变形的疲劳破坏现象［8］，因此仅进行静强度校核是难以满足结构动态设计的要求。

以某企业ZL50G装载机工作装置为研究对象，采用有限元方法对装载机工作装置在典型工况下进行静强度分析，并通过试验研究验证了有限元分析结果的合理，对有限元和试验结果进行分析，确定了工作装置外载荷动态测试的测点位置。采用Goodman疲劳极限线图法对工作装置结构测点位置的疲劳强度进行评估校核，结果表明工作装置结构满足疲劳强度要求。文中分析方法和结果为土方机械臂架结构载荷谱测试和结构强度分析提供了依据。

装载机工作装置主要由铲斗、铲斗油缸、连杆、摇臂、动臂、动臂油缸组成，通过动臂油缸和铲斗油缸的动作，实现动臂举升和铲斗翻转，进而完成铲装作业。装载机铲装物料时外载荷对工作装置结构影响最大，受到插入物料时的阻力F1、掘起物料时的阻力F2。装载机铲装物料作业方式可分为一次铲装法和分段铲装法，一次铲装法作业，铲斗一次插入料堆，受到的外力大。分段铲装，铲斗插入物料较浅，受到的阻力小。工作装置结构强度分析时，选择一次铲装作业法建立工作装置铲斗受力模型如图1所示。

图1　装载机工作装置铲斗受力模型
Fig．1Bucket force model of working device

图中l1为外力作用点到铲斗铰点的距离;l2为铲斗和物料的质心到铲斗铰点的距离;l3为斗齿下底面到铲斗铰点的距离。F1为工作装置插入阻力，F2为掘起阻力，G为铲斗和物料的重力。工作装置插入物料阻力F1和掘起物料阻力F2通过如下公式计算获得［9］

式中，k为物料综合影响系数;

b为铲斗宽度;

l为铲斗插入物料深度距离。

由ZL50G结构参数知，k为0.24;b为220 cm;l 为85 cm;l1为133 cm;l2为48 cm;l3为31 cm。根据式(1)和式(2)计算一次铲装作业时，插入阻力F1= 133.54 kN、掘起物料的阻力F2=155.19 kN，重力G=50 kN，为工作装置数值模拟提供载荷条件。

2.1　有限元模型与典型工况

在Pro/E中建立装载机工作装置三维模型并导入有限元软件中，用杆单元模拟铲斗油缸和动臂油缸，用六面体单元对其它结构进行网格划分，销轴连接的地方采用接触单元进行模拟。在铰孔等一些可能出现较大应力的位置，对网格进行细化处理。

将工作装置一次铲装法作业循环分为五种典型工况:一是铲装物料时只受水平阻力的对称加载工况即正载切入工况;二是铲装物料时的只受垂直阻力的对称加载工况即正载掘起工况;三是铲装物料时的只受水平阻力的偏心加载工况即偏载切入工况;四是铲装物料时的只受垂直阻力的偏心加载工况即偏载掘起工况;五是物料举升至卸料位置时的卸载工况即举升卸载工况。根据JB/T 5958-1991要求，五种工况下对车架施加全位移约束。工况一和工况三施加的外载荷为F1，作用点在铲斗中心距斗刃100 mm处。工况二和工况四施加的外载荷为F2，作用点距铲斗内侧壁100 mm并且距离斗刃100 mm。工况五施加的外载荷大小G，载荷均匀加载于铲斗底部。

2.2　静强度仿真分析结果

利用有限元对ZL50G装载机工作装置进行静强度仿真计算，五种工况下应力计算结果如图2所示。

如图2所示，五种工况下工作装置整体结构最大应力为:σ1=190 MPa，σ2=213 MPa，σ3=235 MPa，σ4=271 MPa，σ5=53.4 MPa。工况一和工况三下工作装置结构应力集中出现在动臂油缸与车架铰接处，其余三种工况工作装置整体结构应力集中出现在动臂与车架铰接处。依据材料力学中许用应力法进行静强度校核，校核计算公式如式

式中，σmax为应力计算最大值;

[σ]为许用应力;

n为安全系数。

安全系数取1.25，许用应力[σ]为276 MPa且大于五种工况下工作装置结构最大应力，满足静强度要求。工作装置各结构中应力较大位置区域即为结构载荷测试测点选取的位置，为保证有限元分析模型建立的合理性，还需要通过试验进行验证。

2.3　工作装置结构应力测试试验

以结构静强度仿真结果为基础，在动臂结构应力较大的位置粘贴应变片或应变花(单向应力用应变片，复杂应力用应变花)，对装载机工作装置进行应力测试，动臂测点位置布置方案如图3所示，其中测点2为应变花测点。

图2　工作装置结构应力有限元计算结果图
Fig．2The results of the finite element calculation of the working device structure stress

图3　工作装置动臂应力测点布置方案图
Fig．3The scheme arrangement of stress measurement points for moving arm structure of working device

利用液压缸对工作装置施加载荷来模拟试验，载荷施加位置和大小与有限元分析时的五种工况保持一致。应变测试数据通过无线电压节点进行同步传输，通过连接在笔记本电脑上的设备进行信号接收。动臂结构应变片粘贴及现场测试如图4所示。

图4　工作装置应力测试图
Fig．4The experiment of stress test of working device(www.xing528.com)

装载机工作装置上粘贴应变花处的最大和最小主应力可以通过公式(4)进行计算确定

式中，E和u分别为材料弹性模量和泊松比;εx、εy和ε45°为水平、竖直和45°方向应变值。

工作装置动臂结构的应力测试结果与有限元计算结果及两者之间的相对误差计算结果如表1所示。

表1　应力测试值与有限元计算数据对比
Tab．1Comparison of stress test values and finite element calculation data

由表1可知，实测应力值与有限元计算结果误差为1.6%～7.3%，在工程许可范围内，表明用文中方法建立的工作装置力学分析模型合理，通过试验验证了结构载荷测点的有效性。动臂结构中除铰接孔附近外的最大应力发生测点3附近，这个位置也是工作装置易出现疲劳裂纹的位置，在疲劳寿命分析时应予以重点关注。在同一工况下，测点2的误差要大于其它测点，这是由于应变花自身结构引起的测量误差结果比应变片的大［10］。工况三和工况四的误差明显大于工况一和工况二，这是由于外载荷为偏载，试验测试偏载工况中的横向载荷使得动臂结构应力增大，这也要求工作装置载荷谱测试时必须考虑横向载荷的作用。

复杂的交变载荷作用下，仅对结构进行静强度校核是无法满足设计要求的，此时需要校核结构疲劳强度。通过材料Goodman疲劳极限图进行结构疲劳强度评估校核，能够快速检验静强度满足要求的结构是否满足疲劳强度要求。以动臂为例，通过有限元计算结果选取结构测点进行应力测试，以结构应力测试实际值进行疲劳强度评估。以五种工况下动臂测点最大实测应力值作为结构应力最大值，最小应力选取仅承受自重时的实测结构应力值。由应力最大值和最小值可以计算得到应力均值和应力幅值，工作装置动臂结构测点实测应力分析结果如表2所示。

表2　工作装置动臂结构测点实测应力分析
Tab．2Analytical results of the experiment stress value of the measuring point

工作装置动臂有限元仿真分析结果如表3所示。

表3　工作装置动臂结构测点有限元仿真应力分析
Tab．3Analytical results of the finit element simulation data of the measuring point

将上述分析结果描绘在Goodman-Smith疲劳极限线图中［11］，实测应力结果用十字符号，仿真应力结果用方点表示，疲劳强度校核如图5所示。

图5　修正的Goodman疲劳极限图
Fig．5The modified Goodman fatigue limit diagram

由图5可知，各测点实测应力值分布均在修正的Goodman疲劳极限线图允许范围之内，即动臂结构上选取的五个大应力范围测点的结构强度均满足疲劳强度要求。对于静强度和疲劳强度富余量都过大的地方，可以进行结构优化来实现轻量化设计，在充分发挥材料性能基础上减轻构件质量，并能够确保在交变载荷下结构的强度安全。因此，通过快速疲劳强度校核可以确保结构强度校核的完整性，为结构改良设计提供参考。

通过建立装载机工作装置力学模型和有限元模型，对装载机工作装置结构强度进行分析与试验研究，可以得到如下结论:

1)分析工作装置物料铲装过程受力特点确定外载荷大小，在典型工况模拟下采用有限元技术进行静强度计算，利用多种单元进行网格划分提高有限元计算精度，从而确定了工作装置载荷测点位置。

2)对工作装置进行结构应力测试，试验结果和有限元计算结果之间的误差在1.6%～7.3%，表明所建立的有限元模型合理。分析误差原因，明确横向力是偏载工况下工作装置强度分析中不能忽视的因素。

3)以结构危险点实测应力值和有限元分析应力值为基础，采用Smith图形式的修正Goodman疲劳极限线图实现了工作装置动臂结构疲劳强度的快速评估，弥补了静强度校核的不足。

参考文献(：References)

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STRUCTURAL STRENGTH ANALYSIS AND EXPERIMENTAL RESEARCH FOR WORKING DEVICE OF LOADER

WAN YiPinJIA JieLIANG JiaSONG XuDing
(The Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of MOE，Chang’an University，Xi’an 710064，China)

Corresponding author：WAN YiPin，E-mail:chdwyp1818@163．com．

中图分类号：TH243.1