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工作裝置是裝載機(jī)直接承受工作載荷的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響到裝載機(jī)的可靠性和工作性能。本研究以徐工集團(tuán)生產(chǎn)的改進(jìn)型裝載機(jī)為研究對象，對其工作裝置進(jìn)行有限元分析和強(qiáng)度分析。
工作裝置包括動(dòng)臂、鏟斗、搖臂、拉桿、動(dòng)臂舉升油缸及轉(zhuǎn)斗油缸。動(dòng)臂用厚鋼板焊接而成，采用斜支撐式動(dòng)臂舉升油缸。兩塊動(dòng)臂板之間由雙橫梁連接，橫梁為鋼板焊接的箱形梁，能很好地承受彎、扭應(yīng)力。工作裝置中的動(dòng)臂板和橫梁用薄板單元來模擬，舉升油缸、轉(zhuǎn)斗油缸和拉桿用桿單元模擬。由于分析的主要對象是動(dòng)臂結(jié)構(gòu)，鏟斗在計(jì)算過程中只起到傳遞載荷的作用，因此可用梁單元來模擬鏟斗。
在建立工作裝置力學(xué)模型時(shí)，舉升油缸的簡化處理是關(guān)鍵問題。工作裝置如圖所示。對于正載工況，可以把動(dòng)臂缸處理成邊界元或桿單元，對于偏載工況，力學(xué)模型的建立比較困難。對于后者，通常的處理主要有以下幾種方案：
(1)利用測試的方法將舉升油缸作用在動(dòng)臂上的力測出，在力學(xué)模型中將液壓缸對動(dòng)臂的約束用此力代替，如圖所示。在這種情況下，如果仍保持動(dòng)臂與機(jī)架鉸接，位移就會(huì)不定。因此只能將動(dòng)臂與機(jī)架鉸接改為固接，如圖所示，這樣就不能模擬其實(shí)際工作狀態(tài)。另外，還要對實(shí)際樣機(jī)進(jìn)行測試，不但麻煩，而且不能用于設(shè)計(jì)方案的評定和優(yōu)選。
(2)兩動(dòng)臂缸用邊界元代替，如圖。它的特點(diǎn)是保持了動(dòng)臂機(jī)構(gòu)的約束方式，但動(dòng)臂在受偏載時(shí)，邊界元對動(dòng)臂繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生約束，形成對左右動(dòng)臂板附加的拉力或壓力。
(3)將一舉升油缸簡化為邊界元，而另一舉升油缸采用與此邊界元反力相等的集中力來代替。這種處理方法同樣存在類似方法的問題。
鑒于上述方法存在的弊端，必須建立一合理的力學(xué)模型。動(dòng)臂的受力狀態(tài)如圖所示，若在鏟斗中間作用一垂直載荷(或水平載荷)，則會(huì)在兩舉升油缸處產(chǎn)生大小相等的反力，若施加一偏載，在理想情況下，由于兩油缸的進(jìn)、出油管分別相連，所以它們提供的舉升力仍然相等。實(shí)際上作用在鏟斗上的載荷，只要其大小和方向不變，兩舉升油缸的反力始終相等，與載荷的作用位置無關(guān)。
基于上述分析，本研究提出下面的解決方案，如圖所示。用桿單元AC、BD代替兩舉升油缸，設(shè)CD中點(diǎn)為E，連接CE、DE，用梁單元模擬，取其剛度比結(jié)構(gòu)剛度大2個(gè)以上數(shù)量級，然后去掉E點(diǎn)繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)的約束。由于梁單元CE、DE在E點(diǎn)剛性連結(jié)，因此形成了一個(gè)E點(diǎn)受支撐的平行四邊形結(jié)構(gòu)ACDB，顯然這個(gè)結(jié)構(gòu)既保證AC、BD兩邊受力相等，又不會(huì)限制它在E點(diǎn)繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
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