有限元分析的装载机工作装置结构设计与优化
本文中大量参阅了装载机的设计参考书，其中很多书重点阐述了装载机工作装置的设计与优化处理。虽然现在市场上的装载机已经日趋成熟，但对其进行改进设计仍有非常重要的意义，尤其是装载机的工作装置。装载机工作装置的结构强度和刚度一定程度上决定了整机产品的可靠性和使用寿命。本文以ZL20G型装载机工作装置为例，建立了三维模型并对其进行有限元静态分析，来寻找工作装置所受的应力情况，为装载机的结构优化提供必要的改进设计依据。 1.使用Pro/ENGINEER对装载机工作装置建模，并装配起来。 2.对装载机进行作业工况、外部载荷的计算与分析。在地面铲掘时，各个链接点受力最大。 3.建立简化的力学模型，经过力学计算，得出最大载荷下的受力数值。并用ANSYS软件对工作装置进行有限元分析，得出应力云图和形变云图。 4.根据有限元分析结果，指出动臂结构的危险点和应力集中的区域，提供解决的理论方案。关键词 装载机，工作装置，有限元分析
目录
1 装载机工作装置概述 1
1.1 装载机工作装置设计概述 1
1.2 结构型式选择 1
1.3 装载机规格参数 2
2 铲斗结构分析 2
2.1 铲斗斗型的结构分析 2
2.2 确定铲斗的基本参数 4
3 分析工作装置结构并对其建模 6
3.1 分析工作机构的连杆系统尺寸参数 7
3.2 机构分析 7
3.3 机构的设计方法 7
3.4 尺寸参数设计的图解法 7
3.5 动臂油缸的铰点与行程 12
3.6 举升至最高处的卸载高度及卸载距离 14
4 工作装置的静力学分析 14
4.1 分析工况位置 15
4.2 计算外部载荷 15
4.3 工作装置的受力分析 17
5装载机工作装置三维实体建模 23
5.1 PRO/E软件介绍 23
5.2 工作装置零件建模 24
6 装载机工作装置的有限元受力分析 27
6.1 ANSYS14.0与PRO/E5.0的接口技术 28
6.2 基于ANSYS的装载机工作装置的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
有限受力元分析 29
63 对垂直偏载工况有限元分析 37
64 本章小结 39
7 动臂的结构改进建议 39
致 谢 43
参 考 文 献 44
1 装载机工作装置概述
1.1 装载机工作装置设计概述
装载机的作业，主要是依靠工作装置不断地进行摇杆运动来完成的，其中包括铲掘作业和卸载作业。将装载机的工作装置分解成下图所示，其主要构件包括：铲斗（1）、动臂（5）、摇臂（7）、连杆（4）以及驱动工作装置运动的液压系统(图1—1)。在具体工作过程中，铲斗用以铲装物料，动臂则经过动臂油缸的推动进行具体的工况下运动；在后续的过程中将油缸与摇臂进行工作，不断的分析其工作原理；在后续的过程中，当动臂处于某种作业位置静止时，我们就能很轻易的 刚发现其工作的状态，最重要的是在转斗油缸的作用下，动臂在动臂油缸作用下提升或降下铲斗过程中，能保证其工作强度和稳定性。经过一系列的复杂计算，能够在理论上做到动臂下降的过程中，随着整个工作装置系统的运动，实现铲斗自动放平，从而降低工作人员的劳动负荷，提高产品的安全性和舒适性。
图11 装载机的工作装置
（a）有铲斗托架式（b）无铲斗托架式
1铲斗 2托架 3转斗油缸 4连杆
5动臂 6动臂油缸 7摇臂
1.2 结构型式选择
装载机工作装置的结构型式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种。
如图11a所示的是经过我们不断的分析得出的有铲斗托架的工作装置简图。需要注意的是，它在工作中，通过闭锁转斗油缸，可以使得铲斗水平方向平移，不发生倾斜，从而避免铲斗内的物料出现撒落的问题。通过具体分析发现这种结构相比后者较为简单，并且它的转斗油缸及铲斗并非与无铲斗托架式一样通过动臂传递运动，而是直接通过铰点铰接在托架上，因此在后续的过程中铲斗作业允许的转动角更大。与此同时，仍然存在一个重要的影响因素，就是 有铲斗托架的结构存在较重的托架，所以减少了铲斗的载重量。
1.3 装载机规格参数
根据查阅资料，ZL20G型装载机参数如下：
表 11 ZL20G型装载机性能参数
发动机
锡柴4100
最大掘起力
50kN
发动机标定转速
2200r/min
最大牵引力（前进时）
40kN
最大扭矩
270Nm
最大爬坡能力
30°
额定功率
49KW
铲斗提升时间
<4.0s（满载）
额定斗容量
0.8m3
整机外型尺寸
5100×2030×1500
额定载重量
2000kg
变矩器型号
北联
最大卸载高度
1760mm
前后驱动桥
旺达
最大卸载距离
1420mm
变速箱
北联
整机操作质量
4260kg
最高车速
24km/h
2 铲斗结构分析
2.1 铲斗斗型的结构分析
2.1.1 切削刃的形状
查阅工程机械设计资料，在设计铲斗切削刃的形状时，首要的考虑因素是装载机作业的环境，根据铲掘材料的种类不同，铲斗的切削刃一般分为两种：直线型、非直线性（图21）。从制造角度来看，直线型切削刃更易于制造，生产成本更低，且进行地面刮平作业时的效率更高，但是由于所受的铲掘阻力较大，所以更易磨损。非直线性切削刃具有V型切削刃和弧形切削刃等种类。
图 21 铲斗结构简图
（a）直线型切削刃（b）V型切削刃
V型切削刃是装载机中使用数量较多的种类。这种切削刃的插入力集中在中间部位，易于插入料堆，并且能够减少偏载受力的效果。不过这种铲斗的容量比直线型斗刃小。
查阅资料，我们分析的ZL20G型型为直线型切削刃，受到偏载切入的载荷更大，所以我们更着重于偏载工况的研究。
2.1.2 铲斗的斗齿
一般的装载机的铲斗都装有斗齿。斗齿的作用是分担插入力，形成一定的比压，易于插入较为密实的物料堆。并且斗齿制造并不要求精细，互换性较高，磨损后易于更换，可以代替铲斗的前边缘磨损，节省维护费用。
目录
1 装载机工作装置概述 1
1.1 装载机工作装置设计概述 1
1.2 结构型式选择 1
1.3 装载机规格参数 2
2 铲斗结构分析 2
2.1 铲斗斗型的结构分析 2
2.2 确定铲斗的基本参数 4
3 分析工作装置结构并对其建模 6
3.1 分析工作机构的连杆系统尺寸参数 7
3.2 机构分析 7
3.3 机构的设计方法 7
3.4 尺寸参数设计的图解法 7
3.5 动臂油缸的铰点与行程 12
3.6 举升至最高处的卸载高度及卸载距离 14
4 工作装置的静力学分析 14
4.1 分析工况位置 15
4.2 计算外部载荷 15
4.3 工作装置的受力分析 17
5装载机工作装置三维实体建模 23
5.1 PRO/E软件介绍 23
5.2 工作装置零件建模 24
6 装载机工作装置的有限元受力分析 27
6.1 ANSYS14.0与PRO/E5.0的接口技术 28
6.2 基于ANSYS的装载机工作装置的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
有限受力元分析 29
63 对垂直偏载工况有限元分析 37
64 本章小结 39
7 动臂的结构改进建议 39
致 谢 43
参 考 文 献 44
1 装载机工作装置概述
1.1 装载机工作装置设计概述
装载机的作业，主要是依靠工作装置不断地进行摇杆运动来完成的，其中包括铲掘作业和卸载作业。将装载机的工作装置分解成下图所示，其主要构件包括：铲斗（1）、动臂（5）、摇臂（7）、连杆（4）以及驱动工作装置运动的液压系统(图1—1)。在具体工作过程中，铲斗用以铲装物料，动臂则经过动臂油缸的推动进行具体的工况下运动；在后续的过程中将油缸与摇臂进行工作，不断的分析其工作原理；在后续的过程中，当动臂处于某种作业位置静止时，我们就能很轻易的 刚发现其工作的状态，最重要的是在转斗油缸的作用下，动臂在动臂油缸作用下提升或降下铲斗过程中，能保证其工作强度和稳定性。经过一系列的复杂计算，能够在理论上做到动臂下降的过程中，随着整个工作装置系统的运动，实现铲斗自动放平，从而降低工作人员的劳动负荷，提高产品的安全性和舒适性。
图11 装载机的工作装置
（a）有铲斗托架式（b）无铲斗托架式
1铲斗 2托架 3转斗油缸 4连杆
5动臂 6动臂油缸 7摇臂
1.2 结构型式选择
装载机工作装置的结构型式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种。
如图11a所示的是经过我们不断的分析得出的有铲斗托架的工作装置简图。需要注意的是，它在工作中，通过闭锁转斗油缸，可以使得铲斗水平方向平移，不发生倾斜，从而避免铲斗内的物料出现撒落的问题。通过具体分析发现这种结构相比后者较为简单，并且它的转斗油缸及铲斗并非与无铲斗托架式一样通过动臂传递运动，而是直接通过铰点铰接在托架上，因此在后续的过程中铲斗作业允许的转动角更大。与此同时，仍然存在一个重要的影响因素，就是 有铲斗托架的结构存在较重的托架，所以减少了铲斗的载重量。
1.3 装载机规格参数
根据查阅资料，ZL20G型装载机参数如下：
表 11 ZL20G型装载机性能参数
发动机
锡柴4100
最大掘起力
50kN
发动机标定转速
2200r/min
最大牵引力（前进时）
40kN
最大扭矩
270Nm
最大爬坡能力
30°
额定功率
49KW
铲斗提升时间
<4.0s（满载）
额定斗容量
0.8m3
整机外型尺寸
5100×2030×1500
额定载重量
2000kg
变矩器型号
北联
最大卸载高度
1760mm
前后驱动桥
旺达
最大卸载距离
1420mm
变速箱
北联
整机操作质量
4260kg
最高车速
24km/h
2 铲斗结构分析
2.1 铲斗斗型的结构分析
2.1.1 切削刃的形状
查阅工程机械设计资料，在设计铲斗切削刃的形状时，首要的考虑因素是装载机作业的环境，根据铲掘材料的种类不同，铲斗的切削刃一般分为两种：直线型、非直线性（图21）。从制造角度来看，直线型切削刃更易于制造，生产成本更低，且进行地面刮平作业时的效率更高，但是由于所受的铲掘阻力较大，所以更易磨损。非直线性切削刃具有V型切削刃和弧形切削刃等种类。
图 21 铲斗结构简图
（a）直线型切削刃（b）V型切削刃
V型切削刃是装载机中使用数量较多的种类。这种切削刃的插入力集中在中间部位，易于插入料堆，并且能够减少偏载受力的效果。不过这种铲斗的容量比直线型斗刃小。
查阅资料，我们分析的ZL20G型型为直线型切削刃，受到偏载切入的载荷更大，所以我们更着重于偏载工况的研究。
2.1.2 铲斗的斗齿
一般的装载机的铲斗都装有斗齿。斗齿的作用是分担插入力，形成一定的比压，易于插入较为密实的物料堆。并且斗齿制造并不要求精细，互换性较高，磨损后易于更换，可以代替铲斗的前边缘磨损，节省维护费用。
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