井下铲运机动臂有限元分析

史蕾蕾

【摘 要】利用Pro/E软件建立井下铲运机动臂的三维模型， 以ANSYS Workbench为基本工具，实现了井下铲运机动臂的有限元分析。通过有限元计算，得到动臂在插入工况、举升工况、卸载工况下的应力分布情况。结果表明材料特性满足设计强度要求。证明采用的有限元分析方法可行，可将该法应用于实际的井下铲运机动臂设计中。

【关键词】井下铲运机；动臂；ANSYS Workbench；有限元分析

【Abstract】Using Pro/E software to build 3 D model of the swing of underground LHD，then the swing through the finite element analysis with ANSYS Workbench as the basic tools.The stress distribution conditions of swing under the insert condition，lifting and unloading conditions is obtained by finite element calculation.The result shows that the strength of the material properties meet the design requirements.It proves that the finite element analysis method is available so the method can be applied to the actual swing design.

【Key words】Underground LHD；Swing；ANSYS Workbench；Finite element analysis

0 引言

动臂是井下铲运机的关键部件，在装载、运输和卸载等各个过程中，都承受主要载荷。因此保证铲运机有足够的可靠性和寿命，动臂必须要有足够的刚度和强度，使动臂的重要部位在使用期内不可出现严重的变形、裂纹[1]。

近年来，有限元法在汽车碰撞、应力分析、疲劳分析等方面的应用越来越广泛，而且精度很高，大大缩短了汽车的研发周期。本文利用ANSYS Workbench用有限元法对井下铲运机的动臂进行应力分析，得到动臂结构的应力和位移，为井下铲运机动臂设计提供了理论依据，具有较高的的理论意义与应用价值[2]。

1 车架有限元模型

在Pro/E中建立动臂的三维模型，为了便于分析，在不影响计算结果的前提下，对结构中较小的圆角、倒角、小孔等作了忽略处理[3]，并且将各部件之间的焊接定义为等强度焊接。然后将三维模型导入到ANSYS Workbench中。

在ANSYS Workbench中，对动臂进行网格划分。在划分的过程中要保证每一个壳单元的顶点也是其相邻单元的顶点[5]，划分网格后生成17541个单元，37760 个节点。划分网格后的WJ井下铲运机动臂如图1所示，材料性能参数如表1所示。

2 动臂有限元分析

铲运车动臂所承受的载荷比较简单，将动臂简化为刚体结构，忽略重力作用，主要液压油缸所传递的力以及支撑铲斗所需要的力。

2.1 插入工况

施加载荷和边界约束后，经理分析可知，动臂与举升液压缸连接的销座处以及左右侧板的弯曲部分应力较大，最大应力出现在右销座处，为38.6MPa，安全系数取为2，则材料的应力极限为77.2MPa，远小于材料的的屈服强度为345MPa，所以在插入工况下满足强度要求。

2.2 运输工况

地下铲运车的运输工况即是当地下铲运机的铲斗装满铁矿石后，动臂在举升液压缸的作用下抬起，将铲斗举至运输位置即当铲斗斗底离地的高度不小于铲运机所允许的最小离地间隙。

施加载荷和边界约束后，静力分析得到，在左右侧板的中间部分、动臂的固定块与动臂壳体的接触处应力比较大。最大应力在动臂固定块处，最大应力为156.6MPa，取安全系数为2，则材料的极限应力为313.2MPa，小于动臂材料Q345的屈服强度极限是345MPa，满足强度要求。另外，运输工况一般处于地下铲运机的工作过程中，考虑到路况的不同，动臂的受力情况可能会更加复杂，所以属于危险工况。

2.3 卸载工况

地下铲运机的卸载工况，此时液压油缸举升动臂使铲斗至卸载位置，翻转铲斗，当铲斗中的铁矿石卸完后就会放下动臂，在动臂的作用下使铲斗恢复运输位置。此时，液压举升油缸全伸，铲斗处于垂直工作地面向下的位置。

施加载荷和边界约束后，静力分析可知，动臂的顶板前端，两侧板的弯曲处以及动臂的顶板中部位置应力较大。其中最大应力出现在靠近右销座的右加强板处，最大应力为157.4MPa，取安全系数为2，则材料的屈服极限为314.8MPa。已经接近材料的屈服强度345MPa，因此符合强度要求。

3 结论

（1）建立地下铲运机动臂的有限元模型，对插入工况、运输工况、卸载工况进行了动臂的有限元分析。

（2）在插入工况情况下，动臂所受到的应力没有达到材料的屈服极限，属于安全工况；运输工况和下载工况下动臂应力的最大值已经很逼近材料的屈服极限，属危险工况。验证了其有限元分析的可靠性，为动臂的设计提供了理论基础。

【参考文献】

[1]蒋美华，苏俊刚，陈欣，周少良.液压挖掘机斗杆有限元静力分析[J].工程机械，2012，43（5）.

[2]王创民.WK-10型挖掘机斗杆有限元强度分析.机械工程与自动化，2008，12（6）.

[3]蒲广义.ANSYS Workbench基础教程与实例讲解（第二版）[M].中国水利出版社，2013，1.

[4]陆爽，孙明礼，丁金福.ANSYS Workbench13.0有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2012，6.

[责任编辑：汤静]