基于ANSYS 的抓抛一体机扶爪的有限元分析

张太萍

(华北水利水电大学 机械学院，河南 郑州 450045)

进行柳稍、块石、铅丝石笼等黄河抢险常用材料的抓、抛时，通常是采用抛石排，需要4～6 人协作完成，因地势恶劣，其搬运、安装、移动都非常困难，大大影响了抢险效果，同时其操作也有一定人员伤亡的危险性.液压式挖掘机是工程抢险中常用设备之一，如果能在原有设备的基础上进行改造创新，既能够节约开支，又能不增加人员编制.正是基于这样的目的开发研制抓抛一体机的.

液压挖掘机的作业过程是以铲斗(一般装有斗齿)的切削刃切削土壤并将土装入斗内，斗满后提升，回转至卸料位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到地面进行下一次挖掘.当挖掘机挖完一斗土后，机械移动一段距离，以便继续作业.这个过程与进行柳稍、块石、铅丝石笼等黄河抢险常用材料的抓、抛有很大的共同之处.因此在液压挖掘机的铲斗部位添加一个鄂式扶爪，与挖掘机的铲斗以连杆机构形式连接，如图1 所示.在铲斗油缸的作用下，将铅丝石笼牢牢抓住，然后运送到合适位置，准确地抛投到位，以达到抗洪抢险的目的.抓抛一体机在工作的过程中，扶爪直接承受较大的外力，是抓抛一体机完成任务的关键，因此，扶爪结构性能的好坏对抓抛一体机工作的影响是十分重要的.文中对抓抛一体机的扶爪部分进行了有限元静、强度分析，分析结果为抓抛一体机扶爪的设计提供了理论依据.

图1 抓斗结构

1 扶爪参数

已知铲斗的长1 550 mm，宽1 380 mm，要求扶爪与铲斗配合作业时，使用方便、操作简单快速、收缩自如等.结合铲斗的结构尺寸和工作特点，将扶爪单独设计成一个独立的部件，与铲斗通过连杆与铰连接，实现抓、抛动作.

初设扶爪参数如下:主骨架长1 420 mm，壁厚20 mm;抓齿长916 mm，弧度160°，抓齿间距338 mm;加固架长度1 420 mm，壁厚9 mm;主骨架与加固架间距为560 mm;最大开度2 200 mm.由于原有工作铲斗性能良好，需要验证扶爪的强度.

2 有限元模型的建立

2.1 几何模型的简化

在AUTOCAD 软件中建立抓抛一体机扶爪的三维实体几何模型，扶爪的整体宽度与铲斗的宽度相同，实际工作长度与铲斗实际长度相同.有限元实体模型反映此装置在实际工作状态下危险工况的情况.扶爪的有限元模型不但要尽量完整，还要方便网格的划分，应尽量减少节点数量，简化结构模型.简化后模型如图2 所示.

图2 扶爪简化模型

2.2 扶爪单元体及材料的选择

该扶爪主要由套管和耳板组成，须用三维实体单元类型来为其定义.本次分析采用了10 节点四面体实体单元Solid 92 号单元，该实体单元具有大应变、大变形、应力强化等优点，并且适合从CAD 软件导入其实体模型.选用扶爪的材料为16Mn.材料的具体性能参数见表1［1］.

表1 材料性能参数

2.3 载荷计算及网格划分

载荷以扶爪最大工况时加载，扶爪主要的受力为自身的重力、石笼对其的压力以及抓紧力.

石笼的重力经保守估算为29 400 N，最大抓紧力为274 565 N，选取最危险的位置即抓紧力最大且石笼重力完全施加在扶爪的表面，对扶爪的齿面和吊耳进行加载，力的大小为303 965 N，这个力以面力的形式分别加在铲斗和扶爪相对的表面和吊耳的内表面;扶爪的重力以重力加速度的方式加载，即g=9.8 kg·m/s2.

工作时，以连杆联接固定处为固定约束，在圆孔处对铲斗和扶爪进行全约束.

进入ANSYS 工作环境，导入抓抛一体机扶爪的有限元网格模型，采用自动划分方式对其进行网格划分，整个扶爪共有14 182 个单元，有限元模型如图3 所示.

图3 扶爪有限元模型

2.4 约束条件确定和加载求解

根据扶爪的实际工作状况对其耳板上的2 个销孔进行固定，对其内表面施加面力并求解［2］.输出扶爪强度分析的应力云图如图4 所示，位移云图如图5 所示.

由图4 和图5 可以看出:最大等效应力为196 MPa，最大位移为506 mm.

3 扶爪强度校核及分析

扶爪经有限元强度分析的最大等效应力为196 MPa［3］，发生在扶爪与主骨架的焊接处，扶爪整体上等效应力远远小于材料的强度极限值660 MPa.其他部位应力在44.0 MPa 以下，说明扶爪选材强度足够，安全系数比较高，完全能够满足抗洪抢险的需要.扶爪整体变形不大，最大变形值为5.06 mm，发生在扶爪抓齿的最前端，扶爪固定臂的变形比其他各处的变形都小.

4 结语

对抓抛一体机的扶爪部分进行了有限元强度分析，强度分析结果显示，扶爪的最大等效应力为196 MPa，远小于材料的强度，而且扶爪变形很小，仅为5.06 mm，应力及变形均满足设计要求.

［1］王三民.机械设计计算手册［M］.北京:化学工业出版社，2008.

［2］周宁.ANSYS 机械工程应用实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

［3］邓子龙，高财禄.挖掘机铲斗强度分析［J］.辽宁石油化工大学学报，2007，27(4):45－47.