基于SolidWorks的挖掘机铲斗分析与优化设计

    0　引　言

    挖掘机是通过其工作装置中的铲斗来挖掘土壤、煤泥、疏松后的石块等物料,并运至指定位置或装车的一种机械,主要用于工程作业中的土方作业。在其工作过程中,铲斗直接与物料接触,承受较大的冲击、摩擦载荷。且其工作过程受物料多样性变化的影响,铲斗的受力并不均匀,很多情况下,所受作用力只作用于铲斗的一个铲齿上,极端的情况,甚至作用于最靠边的铲齿上,造成极大的偏载、应力集中。

    受制于铲斗恶劣的工况,在进行铲斗设计时,在保证斗容满足要求的情况下,力求相关结构参数设置的合理,使其具有较高的可靠性。但针对铲斗的受力计算中,若采用传统设计方法进行计算,不但计算过程复杂且不易保证结果的正确性。

    Simulation与三维造型软件无缝集成,用户可以在同一个软件环境下方便地实现产品的设计及有限元强度分析。故在本次铲斗有限元强度分析时采用 Simulation作为有限元分析平台,对某企业的XE215CA型铲斗的结构进行分析和设计优化。

    1　铲斗强度的有限元分析思路

    在常规的结构件应用有限元分析软件进行计算时,通常首先根据结构件的结构特点,建立有限元分析所需的模型;根据结构件所用的材料建立材料模型;然后根据结构件的工作情况确定相应的载荷及约束,并划分网格;最后运行求解。

    由于铲斗的工作时,作业情况复杂,并且需要对结构参数进行优化,如果仅按常规的分析思路进行有限元的分析求解,则会造成分析过程反复,分析效率低下。

    2　铲斗结构分析

    铲斗结构如图1所示,其一般由斗壁、斗底、耳板、斗齿及斗角等组成。主要设计数据有斗底板厚度、耳板厚度、斗壁厚度、斗角厚度、背板厚度、耳板间距、斗角长、斗角宽及斗角圆弧半径,通过强度分析,对其设计数据进行优化设计。

    由铲斗的结构可知,构成铲斗主要结构的斗壁、斗底、耳板均由钢板加工后经焊接而成。斗壁、斗底钢板厚度相对于其余两个方向的尺寸数值较小。针对这种情况如果在有限元分析中,斗壁、斗底依然采用实体单元进行分析,为保证分析结果的准确性,必须在板厚方向划分不少于两层的单元网格。以斗容为0.9m³铲斗为例,斗壁、斗底所采用的钢板板厚一般在20~30mm,而其连长可在960mm左右,由此可知网格的划分数量将在十万以上,将会大大增加分析的规模,从而降低有限元分析速度。这个现象在优化设计将更为明显,因为在优化分析计算时,为得到最优的结果,有限元分析软件会针对所分析的工况,根据可变的参数范围,生成数以百计的样本点,并对这些样本点逐一求解。