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地下鏟運(yùn)機(jī)是地下采掘作業(yè)的主體設(shè)備，工作裝置是鏟運(yùn)機(jī)直接承受工作載荷的主要構(gòu)件，而舉升臂是工作裝置中的重要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響到鏟運(yùn)機(jī)的可靠性和工作性能。
鏟運(yùn)機(jī)實(shí)際作業(yè)過程中，常常由于鏟斗偏鏟或物料的不均勻性，使得鏟斗受到非對稱載荷作用。在極限偏載作用下，舉升臂的變形對其強(qiáng)度產(chǎn)生決定性影響。在偏載工況下，工作裝置中對稱的鉸接點(diǎn)受力不盡相同，此時(shí)如果仍按多剛體系統(tǒng)來建模，則會(huì)造成冗余約束，仿真與實(shí)際不符。此外，由于2個(gè)舉升油缸進(jìn)油管和出油管分別相連通，所以2油缸的舉升力始終相等。已有學(xué)者對裝載機(jī)舉升油缸處理方法進(jìn)行研究：范文杰運(yùn)用ADAMS中的液壓模塊模擬動(dòng)態(tài)油缸，但稍顯繁瑣；成凱、范文杰等在ANSYS中用桿和梁單元來模擬油缸，但只模擬了靜態(tài)油缸有限元分析。目前尚未發(fā)現(xiàn)運(yùn)用類似方法對鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)研究的文獻(xiàn)。
利用ANSYS為ADAMS提供舉升臂柔性體，在ADAMS中其他構(gòu)件采用剛性體，建立工作裝置的剛?cè)狍w混合模型，并基于杠桿原理對雙油缸舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化來模擬動(dòng)態(tài)油缸，避免使用液壓模塊而使問題復(fù)雜化。進(jìn)行偏載工況下的動(dòng)力學(xué)仿真，獲取載荷數(shù)據(jù)，再返回ANSYS中計(jì)算舉升臂的強(qiáng)度，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。
正轉(zhuǎn)六桿鏟運(yùn)機(jī)工作裝置包括舉升臂、鏟斗、連桿、搖臂、傾翻油缸及舉升油缸(見圖1)。鏟運(yùn)機(jī)工作過程由以下工況組成。
(1)插入工況鏟斗放置于地面，斗尖觸地，斗底板與地面呈30-50傾角，開動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)，鏟斗插入料堆。此過程傾翻油缸和舉升油缸都處于閉鎖狀態(tài)，可認(rèn)為此過程鏟斗斗刃只受水平插入阻力作用。
(2)鏟裝工況鏟斗插入料堆后，操作傾翻油缸，轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗鏟取物料，待鏟斗口翻至近似水平為止。此過程保持舉升油缸閉鎖。可認(rèn)為此過程鏟斗受垂直掘起阻力和物料重力的作用。
(3)重載運(yùn)輸工況鏟裝工況后，所有油缸均閉鎖，然后驅(qū)動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)駛向卸載地點(diǎn)。
(4)舉升工況保持傾翻油缸閉鎖，操作舉升油缸，將舉升臂升至某卸載高度，準(zhǔn)備卸載。
(5)卻載工況舉升油缸閉鎖，操作傾翻油缸翻轉(zhuǎn)鏟斗卸料。
(6)復(fù)位工況鏟斗物料卸載干凈后，舉升油缸縮回，下放動(dòng)臂，使鏟斗恢復(fù)至運(yùn)輸位置。
工作裝置所用鋼材為Q345，Q345的彈性模量為2.06e11 Pa，泊松比為0.29，密度為7 800 kg/m3，屈服極限345 MPa。
從三維建模軟件將舉升臂以Parasolid格式導(dǎo)入到ANSYS中，采用SOLID45單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，見圖。
在各鉸接中心建立關(guān)鍵點(diǎn)，用MASS21單元進(jìn)行劃分，作為ANSYS與ADAMS的接口點(diǎn)(7個(gè))。將接口點(diǎn)與其周圍鉸孔面上所有節(jié)點(diǎn)用剛性連接，進(jìn)行模態(tài)分析，獲得MNF模態(tài)中性文件。
由于鏟運(yùn)機(jī)在工作過程中舉升臂所受激振力的頻率不太高，只有較低的固有頻率才可能與激振頻率相同或接近，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，故在進(jìn)行舉升臂模態(tài)分析時(shí)可只取前40階模態(tài)，表列出了前12階舉升臂在ANSYS與ADAMS環(huán)境下的固有頻率，對比兩者，誤差很小，數(shù)據(jù)交換無誤。
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