装载机工作装置的有限元分析的难点在哪?

装载机工作装置经常出现的故障怎么处理？~

装载机工作装置是装载机的一个重要组成部分，其工作性能的好坏将直接影响到整个装载机的工作效率，但是，与装载机的其它系统相比而言，大家对其研究的深度不够。尤其是近几年，大家对装载机的外观设计越来越注重，而其内在的核心部分却没有任何提高。下面，我们根据近年来装载机工作装置经常出现的故障，逐一分析一下。一、工作装置拉杆弯曲：顾名思义，拉杆在工作过程中是受拉力的，只会出现被拉长或铰接孔失圆的现象，不会出现弯曲现象。因此拉杆在设计中我们只考虑其能承受的最大拉力，不考虑其它力，因而拉杆成为工作装置中最薄弱的部件。实际工作中，如果工作装置设计不合理或操作不当，将使拉杆承受比拉力还大的其它力。第一种情况：工作装置在处于最高位置以下的任意位置卸料后，如果用户接下来的动作不是下降动臂或收斗，而是直接提升动臂，这时，拉杆受的力就不是拉力，而是压力。在卸料后，如果立即提升动臂，由于卸载限位块与动臂接触，铲斗与动臂的相对夹角不能再减小，这时拉杆受到铲斗的推力，该推力通过摇臂作用到翻斗油缸上，将活塞杆往外拉，而此时的翻斗油缸前后腔都处于封死状态，必须通过翻斗油缸的前腔泄油、后腔补油才能使工作装置继续向上运动，如果拉杆产生的最大推力不能使翻斗油缸活塞杆向外拔出，最后只能使拉杆弯曲。因此，这种情况下拉杆所受的最大压力是由翻斗缸前腔泄荷阀的压力决定的。第二种情况：当工作装置进行挖掘作业时，这时装载机的整个重量都落在铲斗和后轮上，前轮不承受力。铲斗对地面的切入力是由拉杆对铲斗的推力提供的，所以这时的拉杆承受的是压力，其压力的大小是根据整机的重量和翻斗缸前腔泄荷阀的压力共同决定的，两者取其最小者。第三种情况：当工作装置在卸料作业时，用户往往为了卸料干净，操纵翻斗油缸，用铲斗限位块与动臂进行猛烈碰撞，这时摇臂会对拉杆产生一个冲击压力，如果不考虑运动惯性力的大小，拉杆所受压力的大小也是由翻斗缸前腔泄荷阀的压力决定的，与第一种情况相似，所不同的是这种工况翻斗缸是主动的，而第一种情况翻斗缸是被动的。以上是拉杆弯曲的三种典型工况，用机械原理中力矩平衡的方法，我们可以找出拉杆受压力最大的一种工况，对拉杆进行稳定性验算。对于第三种工况，我们可以在动臂座梁处焊接一个限位块，可以防止翻斗缸将太多的冲击压力传递到拉杆上。对于第一、第二种工况，我们可以调节翻斗缸前腔的泄荷阀压力不能太高，保证拉杆不被压弯。根据经验，判断翻斗缸前腔压力是否太高，我们有一个最简单的办法，就是在第一种工况下，让发动机处于怠速状况下提升动臂，如果动臂不能被提升起来或感觉到发动机转速明显下降甚至熄火，这时是翻斗油缸前腔泄荷阀压力太高，应该用压力表测试并调整到规定值。但不能为了保护拉杆而将该阀的压力调得太低。如果压力调得太低，当装载机工作装置处于满斗高位时，由于铲斗与物料的合重心相对于铲斗下支点的力臂几乎为零，铲斗容易向后翻转，物料会从铲斗的斗沿掉落下来，容易砸坏驾驶室，对驾驶员造成人身伤害。二、铲斗收斗不到位：“铲斗收斗不到位”现象是指装载机工作装置工作一段时间后，铲斗上的收斗限位块无法与动臂接触，收斗角达不到规定值。该现象的发生主要是由于工作装置中结构件强度不够，发生塑性变形引起的。我们在设计工作装置时，验算工作装置的强度往往是在装载机全负荷进行插入物料掘起时进行受力分析的，我们往往认为在此种工况下，工作装置受力是最大的。其实不然，根据工作经验，我们分析认为发生塑性变形的工况还有几种被我们忽略的情况，特在这里提出来，以便大家在今后的设计工作中对工作装置结构强度分析时加以考虑。第一种情况：我们在设计工作装置时，为了防止装载机在运输物料时撒料，通过调整翻斗缸与前车架连接的铰点位置，使工作装置从地面收斗位置到规定运输位置的最高点这一段圆弧运动，铲斗的收斗限位块始终是紧紧靠在动臂上的，这样可以保护工作装置免受冲击，防止物料撒落，而且可以简化驾驶员的操作，不用地面收斗后，到运输位置时，再操作一下收斗动作。这种功能就是我们常说的“靠挡块功能”。通过运动轨迹，我们仔细分析发现，具有该功能的工作装置如果没有收斗限位块的限制，工作装置从地面收斗位置到规定运输位置的最高点这一段圆弧运动中，铲斗与动臂的相对夹角是逐渐减小的。在实际工作中，由于收斗限位块的限制，铲斗迫使拉杆去拉动摇臂，将翻斗缸活塞杆压回去。翻斗缸活塞杆被压回去是通过翻斗缸前腔补油阀进油，后腔泄荷阀回油实现的。一般来说，后腔泄荷阀的开启压力是工作液压系统的系统压力的1.25倍。

装载机液压系统主要包括工作液压系统,转向液压系统,制动液压系统和冷却液压系统;
工作液压系统包括液压泵,液压多路阀,液压油缸,通过液压先导手柄控制液压多路阀执行相应动作;
转向液压系统包括液压泵,液压转向器,转向油缸,通过转向器控制液压油缸,控制转向轮转向角度;
制动液压系统,目前国产五吨装载机制动系统多采用气顶油的方式,出口装载机制动系统多采用全液压制动形式,全液压制动方案包括液压泵,充液阀,蓄能器,制动踏板,制动器,通过充液阀给蓄能器充液,在发动机停机或故障时,提供紧急制动压力油.
冷却系统主要是给驱动桥冷却的.
另外,液压泵的出油口还有过滤器等液压附件.

　1、 引言
　　装载机是工程机械的主要机种之一，广泛用于建筑、矿山、水电、桥梁、铁路、公路、港口、码头等国民经济各部门。国外装载机发展迅速，而我国装载机在设计上存在很多问题，其中主要集中在可靠性、结构设计强度等方面[1,2]。由于采取“类比试凑”等设计方法在一定程度上存在盲目性，容易形成设计中的“人为”应力集中点，造成机构整体强度的削弱甚至破坏。按这种设计生产出的产品，外观上看上去很强壮、刚性很好，但却有内在的设计缺陷，使用过程中常因工作装置结构强度等原因，产生开焊、甚至断裂等破坏，致使工作装置报废，造成重大经济损失。
　　本文将以SDZ20型装载机为例，建立有限元模型，在典型工况下用MARC软件进行静态结构分析，获得工作装置整体的应力及变形分布。其结论对该种结构的优化设计有一定的指导意义。
　　2、 工作装置结构受力破坏与力学特征
　　2.1工作装置的结构
　　工作装置由铲斗、动臂、横梁、支撑、摇臂、拉杆等组成。各构件之间由铰销联接，有相对转动。为了增强摇臂、支撑的刚度，在摇臂及支撑之间有筋板连接，在计算时，可以将其视为一体。动臂上铰点与装载机前车架铰接，中部铰点与举臂油缸铰接；摇臂上铰点与翻斗油缸铰接。用MARC对其做有限元静力分析中，认为工作装置各铰接处没有相对转动。动臂是工作装置的主要受力部件，其截面形状为矩形；又因其长、宽方向远大于厚度方向，故可以用板壳元对动臂进行离散。横梁截面为箱形，为焊接结构。摇臂和支撑也是焊接结构，其焊接板的截面均为矩形。考虑各构件的厚度远小于其它两个方向的厚度，可以认为均为板类零件。
　　2.2结构受力与破坏特征
　　装载机整体结构为对称结构。分析装载机插入、铲起、举升、卸载等的作业过程可知，装载机载初铲时，工作装置受力最大。在整个工作过程中受到的外界载荷为不变载荷，主要是物料的重量以及机构自重。由于物料种类和作业的条件不同，装载机工作时铲斗切削刃并非均匀受载，一般可以简化为两种极端情况：（1）认为载荷沿切削刃均匀分布，并以作用在铲斗切削刃中点的集中载荷来代替均布载荷，称其为对称受载情况；（2）非对称受载情况，由于铲斗偏铲、料堆密集情况不均，使载荷偏于铲斗一侧，通常将其简化为集中载荷作用在铲斗最边缘的斗齿上。这两种处理方法都是偏于安全的。当结构受力超过其极限载荷，材料发生塑性变形直至开裂（焊接部位）或断裂。
　　3、 有限元模型的建立及边界条件
　　工作装置作为装载机的主要工作部件，强度和刚度必须有充分的保证。根据工作装置的结构特征，建立起与其对应的有限元模型。
　　3.1单元类型的选取有限元网格划分
　　工作装置的各板厚度均匀，且长宽相比较小的多。根据经典薄壳理论假设，厚度小于中面轮廓尺寸1/5的为薄板。因此可以采用空间板壳单元进行网格划分。考虑四边形单元比三角形单元具有更高的计算精度，而三角形单元比四边形单元更利于拟合过渡，所以采用四边形单元与三角形单元混合进行网格划分。
　　有限元网格按照“均匀应力区粗划、应力梯度大的区域细划”的原则进行划分。按照给定尺寸自动划分后，对局部（如尖角和轴承孔等部位）进行细划。有限元模型如图2所示。
3.2边界条件的施加
边界条件包括两方面：边界载荷和边界约束。取额定装载量，按静力等效的原则将力施加在铲斗尖内移约100mm处中部。在初铲转斗时，可认为举臂油缸和翻斗油缸都不动，动臂的两个铰销部位和摇臂的铰销部位无相对移动。
　　3.2.1边界载荷
　　额定装载为2×104N。联合铲取的工况进行加载。根据以上假设，可以计算出铲斗所受水平力Rx和垂直力Ry。
水平力（即插入阻力）的大小由装载机的牵引力确定
　　Rx=Pkpmax=4000N 式中，Pkpmax为装载机的牵引力。
垂直力（即铲起阻力）大小受装载机的纵向稳定条件的限制。
　　Ry=GL1/L=58800x1300/2615.8=26974N 式中，G——装载机自重，为6000kg（58800N）。
L1——中心到前轮水平距离，为1300mm。
L——垂直力作用点到前轮水平距离，为2615.8mm 。
　　考虑到铲斗的特殊性，对其变形及破坏不予考虑。根据圣维南原理，局部载荷不影响远处应力场的分布，可以知道，在铲斗尖部附近所施加的点载荷不会影响除去铲斗外的工作装置的应力分布。所以这种加载方式是可行的。
　　3.2.2边界约束
　　根据假设，举臂油缸和翻斗油缸不动。这样，在油缸与工作装置的铰接处和动臂与前车架的铰接处分别施加对应的边界条件。
　　3.3材料性能参数的确定
　　SDZ20型装载机工作装置构件所用的材料为16Mn（包括动臂、摇臂、支撑、横梁和各筋板、加强板）和Q235（拉杆），变形在弹性范围内，对应各构件分别施加所需材料常数：
　　4、 结果分析
　　用MARC软件对工作装置进行有限元分析，得到整个工作装置的整体应力应变场、变形场分布，图3给出了工作装置的局部等效应力分布。
由结果可知，该装置的结构完全满足了强度要求。各构件情况是：动臂的危险点在动臂下铰点及动臂与举臂油缸铰接处附近，应力值已经分别达到142.5MPa和118.9MPa，偏载时应力值达到184.5 MPa和153.6 MPa，是正载时的1.29倍，且偏载的一侧与横梁焊接部分出现应力集中，其值已达到100 MPa；摇臂的危险点在摇臂与拉杆铰接处，应力已达91.7 MPa；横梁的危险点在横梁与动臂的铰接处，应力值已达65.2 MPa；拉杆的危险点在与摇臂铰接处，应力值已达107.2 MPa。同时，在偏载时，动臂承载了由于偏载所产生的大部分扭矩，而其他构件在偏载时的应力集中相对减小。即使这样，最大值仍远小于屈服应力，设计是偏于安全的。

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宜黄县18469874168： 做毕业设计装载机工作装置有限元分析时,进行求解时没有弹出solution is done,大神告诉下是怎么回事 - ？
余祁更昔： 您好,这个就说明你的问题没有求解,可能是加载的问题,因为它提示说你的模型出现了3个警告,如果可以计算,它就会忽略警告,但显然这个错误让ansys不能计算了,建议重新检查模型,包括加载等

宜黄县18469874168： 有限元分析包括哪三个主要阶段?在每个阶段各解决哪些问题? - ？
余祁更昔： 1、建模:将要计算的结构划分成有限个独立单元,并且将单元编号和单元节点编号; 2、成模:将建模数据和荷载、约束条件等组合成数据模块(矩阵); 3、解模:用计算数学方法解出已形成的模块,解出节点位移、单元内力等.

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宜黄县18469874168： 机械设计有限元分中各种分析的作用? - ？
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宜黄县18469874168： 在做车架有限元分析时,为什么只分开考虑弯曲载荷、扭转载荷、横向载荷和纵向载荷? - ？
余祁更昔： 第一:汽车不可能同时满足四种工况,也就是不可能车架同时处在四种工况中.分开分析更贴近实际 第二:有限元分析本来就是简化模型和工况后的模拟,在约束条件设定上没有那么精确 第三:如果四种工况同时约束,会造成工作量很大,并且按照第一没有必要.可以根据实际选取两种工况进行组合.

宜黄县18469874168： 请简述有限元分析的基本概念?用有限元法分析工程问题的一般步骤是什么? - ？
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宜黄县18469874168： 工作中的FEA有限元分析,侧重于哪方面?应该怎样安排学习? - ？
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宜黄县18469874168： ansys 做强度分析如何入手 - ？
余祁更昔： 我给你总结一下,你需要1,照着你的实例做一下,下不考虑和你要做的分析是不是相关,就为了熟悉软件,因为软件里面都是英文的,你要熟悉里面的一些选项和设置参数等等.2,回到你要做的分析,第一步就是模型的简化,用solidworks建模貌似可以直接导入ansysys,但是我没这么做过,你可以试试,不行的话就直接从ansys里建模,挺简单的.3,建模后要加载,加约束,设置参数.需要设置的东西,至少有弹性模量2e5,泊松比0.3,这两个数使用与一般的钢铁材料,其他材料要自己去查一下了.4,分析.5,后期处理,查看结果.好了说来容易做来难,你自己试试吧,不行再问

宜黄县18469874168： 元分析的步骤 - ？
余祁更昔： 有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解.它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件...