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液壓挖掘機是工程機械的主要產品之一，具有較高的技術含量，它被廣泛應用于礦山開采、道路施工、國防建設、農用水利等基本建設之中。鏟斗是挖掘機工作裝置(鏟斗、斗桿、動臂)3大部件之一，是主要承載件。在挖掘過程中，鏟斗直接承受很大外力，鏟斗與礦巖的接觸滑移，造成鏟斗激烈的磨損。作業環境的狀況也對鏟斗的強度和變形在一定程度上造成很大影響。因此，鏟斗結構性能的好壞對挖掘機工作的影響非常重要。目前，在國內液壓挖掘機設計中，對斗桿和動臂的應力分布進行分析較多，而對鏟斗的應力分布規律研究得較少。下面結合挖掘機的實際作業工況，對挖掘機鏟斗在受力最大的典型工況下挖掘時進行強度分析和變形分析，為挖掘機鏟斗設計提供理論依據。
1、強度分析模型的建立
1.1、分析方案及條件
利用有限元進行強度分析的過程是：前處理，建立幾何模型，將幾何模型理想化，施加材料參數和載荷約束條件，進行網格劃分；通過軟件進行有限元分析計算；后處理，將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示，也可將結果以圖、表、曲線形式顯示或輸出。使用Pro/MECHANICA模塊，可以將幾何模型轉換成有限元模型進行分析求解，并以圖形方式顯示分析結果。
首先，在Pro/E模塊中對鏟斗進行三維造型，其次以鏟斗受力最大的工況，計算出有限元強度分析的載荷數據，最后應用Pro/MECHANICA模塊對鏟斗進行強度分析。
1.2、有限元分析模型的建立
根據已知的尺寸數據，在Pro/E中進行挖掘機的鏟斗三維實體造型，為方便劃分網格，在對結果不產生影響的情況下，對結構和模型進行簡化，得到分析所用的實體模型。
1.3、材料條件的確定
挖掘機鏟斗兩側板采用的材料是20CrMnMo，其它部分所采用的是16Mn。采用20CrMnMo。主要是為了耐磨和抗疲勞，根據以往經驗可知，危險位置不在側壁，因此分析時整體采用16Mn，20CrMnMo的各項性能指標均優于16Mn，所以這樣不但不影響分析結果，還簡化了分析過程。
1.4、載荷計算
對挖掘機鏟斗進行強度分析時，分析采用的工況必須是有限元模型受力最大的危險工況。根據挖掘機的連接情況，使用Pro/MECH A NICA MOTION模塊對其進行動力學分析，利用Pro/MECHANICA MOTION模塊的運動仿真功能，模擬鏟斗的運動情況，求出了鏟斗受力最大的工況。鏟斗的受力主要是挖掘力、鏟斗內土的重力和鏟斗自身的重力。鏟斗的挖掘力可以采用Pro/MECHANICA MOTION的運動分析模塊，對鏟斗進行動力學分析，計算出各個狀態下的鏟斗挖掘力的受力情況，并輸出鏟斗受力圖表。分析發現，鏟斗受力最大發生在動臂處在最低位置，動臂缸全縮斗桿缸作用力最大。用鏟斗油缸進行挖掘時，斗齒尖、斗齒尖與斗桿交點和斗桿與動臂交點三點成一直線，斗桿油缸與斗桿尾部之問的夾角為90°，鏟斗的具體受力數值為：水平受力為83074.6 N，豎直受力為49656.6 N，重力為9039.27 N。
1.5、加載荷和確定約束條件
根據Pro/MECHANICA模塊分析可知，以挖掘機鏟斗最大受力狀態作為強度分析工況，即假設鏟斗的4個銷孔固定。挖掘機鏟斗主要承受的力是挖掘力水平分力與豎直分力的合力、側向力和重力，側向水平挖掘力側向力影響不大，在這里忽略不計。對鏟斗施加的約束和載荷，建立鏟斗的有限元分析模型。
2、有限元強度分析結果
完成了有限元分析的一系列前處理工作(準備模型、添加載荷、指定邊界條件、劃分網格、編輯網格屬性、優化設置)之后進行計算，進行有限元計算分析，繪制出鏟斗強度分析的應力云圖。
從強度校核計算可知，鏟斗具有足夠的設計強度。鏟斗的變形很小，最大位移量為5.788 mm。總的來說，斗體前部斗齒、斗后壁耳板的根部、鉸接處和補強區域受到的應力較大，但都低于許用應力，其它部位所受應力較小，大部分都低于100 MPa。
3、結果分析
(1)斗后壁的加強筋板是增加鏟斗剛度和提高鏟斗強度的關鍵，它不但可以大大降低斗后壁應力，而且可以化解應力集中，極大地提高了鏟斗抗偏載、抗超載的能力。
(2)斗體前部的斗唇部件和兩側的加強筋板對改善鏟斗的挖掘性能和提高斗體的強度都起到了不可替代的作用。
(3)鏟斗后壁耳板比其它部位的鋼板厚，從而提高了鉸接部位抗交變復雜應力和磨損的能力。
(4)作業設備主體在挖掘過程中具有柔性，可以緩解力的作用，設備實際更偏于安全。
有限元分析的主要工作是數據準備和分析運算結果，建立正確的有限元分析模型(幾何模型、材料參數、邊界條件和載荷條件)才能運算出正確的結果，根據對運算結果的分析，不斷發現產品設計中存在的問題，以此為依據對產品結構進行改進，為以后挖掘機設計和開發提供依據。
專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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