基于有限元法的松土器结构分析*

王晓晓，孙 健※，吕福春，祁 祥

（1.徐州工程学院机电工程学院，江苏徐州 221018；2.徐州科源液压股份有限公司，江苏徐州 221116）

0 引言

液压挖掘机作为一种多功能的工程机械，凭借着其优良、可靠的性能被广泛应用于基础设施建设、经济设施建设以及矿石开采等施工中，它在解放劳动力时，还能够改善施工质量、加快施工速度以及提高劳动生产率。在一些冲击振动过多的特殊工作条件下，不适合人工操作，促使挖掘机向智能化、自动化方向发展，而对液压挖掘机装置进行建模分析是实现自动化的重要研究基础[1]。松土器是挖掘机的重要工作装置之一，其应用范围广泛，不仅可以作用于砂砾石和盐矿等坚硬的土层，还可以作用于黏土和硬化冻土等松散的土层，具有破碎和翻松土壤的功能，一般用于开挖有裂纹的岩石、破碎冻土和沥青路面，便于用铲斗进行挖掘及装载作业[2]。松土器工作过程中会受到来自土壤的阻力作用，也存在因所受应力过大而发生的塑性变形和断裂的问题，因此松土器必须具备足够的强度刚度和耐磨性[3]。

现有研究多是对挖掘机铲斗和推土机松土器的分析优化，却少有关于挖掘机用松土器的相关研究。本文依据挖掘机用松土器的实际结构，建立有限元模型，模拟工作过程中所受载荷，分析松土器应力应变和位移变化。基于有限元分析法，避免因使用传统方法而十分繁琐的计算过程，提高精确度[4]。通过对松土器的仿真分析，确定其最大受力工况和受力部位，可以避免部分设计不足的缺陷，为后来对挖掘机用松土器的研究提供理论依据。

1 松土器结构设计与工作原理

1.1 松土器结构设计

松土器是液压挖掘机的可换工作装置之一，具有碎土和翻松的功能，由主板、挂耳板、背板、斗耳板、斗耳套、斗齿、齿座、护板等零配件组成。一般分为单齿和多齿，具备较好的挖掘切入的功能，松土能力强，挖掘阻力小。三齿松土器的底板底面两侧与中间分别竖直向下对应焊接有主板，主板的底部均安装有斗齿。底板顶面两侧分别竖直向上对应焊接有耳板。耳板的上部有耳孔，分别与斗杆和铲斗缸相铰接，主板前端有通过销轴连接齿座和齿尖的组合斗齿，当液压缸的活塞杆伸出时，推动齿尖强制插入并翻动土壤[5]。其结构如图1所示。

图1 松土器结构

1.2 松土器工作原理

工作时，松土器强行插入坚硬的岩石或冻土中，通过工作装置受力推动土石，两侧土壤也受到挤压分开，不断切割后形成较小的碎块[6]。大量的生产实践和实验数据表明，在外力的作用下，由于泥土颗粒的自身强度远远大于颗粒间的连接强度，土壤中的颗粒会沿着力的接触部分互相错开，而发生剪切破坏[7]。因此，在工况下，松土器的往复运动可以看作是力沿直线方向将土层缓慢切开，土层因剪切破坏而破碎，逐渐变成小土块。

2 松土器结构有限元分析

有限元的基本理念是通过建立简单的模型来替换实际生活中复杂的模型然后求解，即将整体分解成有限个的小单元，小单元彼此连接，通过对每一个小单元假设一个近似值，进而推导出满足整体的条件，最终可以得出正确的解[8]。但因为是用简单的模型替换复杂的模型，所以这个解是近似值。而现实生活中大多数问题都难以得到准确解，采用有限元方法不仅可以得到相对准确的近似解，更可以适应多数情况。

现在，随着计算机水平的发展，人们对有限元方法的理解和应用也逐渐加深，相关有限元分析软件也不断更新换代。就此，有限元方法推行甚广，在许多产品设计中有着极高的优越性，对于机械行业更是及其重要的方法。对于有限元的设计运用同时也是将理论与计算机实践相结合。

世界上著名的有限元分析软件公司有很多，包含著名的通用软件ANSYS，ABAQUS，MSC/NASTRAN 等，其中三维结构设计软件有Solid Works，UG，Pro/E 等也都有有限元分析模块，对结构体和装配体也可以进行有限元分析。本论文的有限元研究选用了软件Creo 6.0。Creo 分别整合了Pro/Engineer 的参数化技术、Co Create 的直接建模技术和Product View 的三维可视化技术的新型CAD 设计软件包，具有极高的自由性与灵活性[9]。

在Creo中进行三维模型的创建，利用Creo中集成的Simulation 结构分析模块进行确定约束和载荷、生成网格然后进行运算分析，提高了工作效率。以往在利用Pro/E 建模软件建好三维模型时需要先导出再导入ANSYS 分析软件，现在可以通过Creo 建模软件建模直接由Creo 中集成的Simulation 模块进行有限元分析，既提高的科研人员的效率，也能减少计算误差。

2.1 建立松土器三维模型

先利用Creo软件建立松土器的各个零件，再将零件组装成完整的松土器三维模型。由于一些特征，例如倒角、圆角等，它们的存在不仅会加大计算机的工作量，而且因为对于有限元分析本身影响也不大，可以再对一些不重要零件进行简化。松土器的三维模型如图2所示。

图2 松土器三维模型

2.2 定义材料属性

在Creo 的Simulation 中定义材料，按照表1 为零件添加材料属性。该松土器装配体中斗齿和加强板材料为65 Mn，其弹性模量为211 GPa，泊松比为0.288，质量密度为7 820 kg·m-3，屈服强度为430 MPa，其他材料皆为Q345，其屈服应力为345 MPa[10]。其主要性能参数如表1所示。

表1 材料的各项性能参数

2.3 定义约束

建立有限元模型需要定义准确适当的约束，在有限元分析中施加约束及载荷是有限元结构分析的重要步骤，约束及载荷确定的准确性也是有限元分析的关键。在静态分析时，必须设置足够的固定约束来确定模型的位置，松土器的固定约束建立在耳板与斗杆相连接的4 个螺栓孔处，用来限制松土器的所有自由度。

2.4 定义载荷

液压挖掘机的挖掘力主要是通过摇杆、连杆、油缸等所组成的传动机构决定的，在工作过程中，通常是松土器油缸、斗杆油缸和动臂油缸复合作用进行工作的。

研究选取了挖掘机松土时松土器到达最深处时的工作状态，对此工况下的松土器进行载荷分析，为了便于计算，将模型简化，忽略土壤对松土器的阻力和工作过程中的摩擦力。在整个挖掘机松土过程中，理论上松土器所受外载荷主要包括切向挖掘阻力和法向挖掘阻力。

在松土器的斗齿尖上，受到了切向和法向挖掘阻力，二者分别沿挖掘轨迹的切线与法线方向[11]:

式中：K0为挖掘比阻力，N/cm2，取K0=19.5 N/cm2；b为切削宽度；h为切削深度；Ψ为挖掘阻力系数。

经计算:

2.5 划分网格和建立有限元模型

在准备进行计算之前，必须先将几何模型转化成合理的有限元模型。先利用网格划分工具，将松土器的三维模型进行提取和几何处理，先简单划分根据结果再对模型各个部分进行划分，添加材料的属性、受力载荷等信息，最终形成计算机可实行计算的有限元模型[12]。Creo软件使用精细模型AutoGEM 来生成网格。松土器共创建了9 532个元素和2 875个节点。建立松土器有限元模型如图3所示。

图3 松土器有限元模型

2.6 运行求解

运行时，Creo将根据材料、约束、载荷和网格指定的输入计算结果。用右键单击分析和研究按钮运行。模拟完成之后，结果会被存储到指定的目录中。

2.7 输出结果和分析

运算结束后即可得到松土器的静力分析图解，包括应力应变位移云图。

2.7.1 静力分析

静力分析是用来分析所需结构在给定静力载荷作用下的响应，经过有限元分析之后，观察图4 松土器受力云图可知松土器产生的最大应力约为259 MPa，具体发生于齿斗的齿尖附近。同时还可以观察到松土器的整体呈现深蓝色，整体应力较小，明显小于许用应力。

图4 松土器受力云图

最大应力值可取σmax=259.377 MPa，65 Mn的屈服强度σs=430 MPa，取安全系数为1.5，对于松土器安全系数有：

综上可知，松土器的安全系数为1.66，满足松土器的安全系数要求。

2.7.2 变形分析

在工况下，松土器的位移云图如图5 所示，结果显示最大的位移量仅为0.876 36 mm，且发生在齿杆的下端，越接近上部越小，相对于体积庞大的松土器，位移量很小，故最大变形满足要求。

图5 松土器位移云图

松土器的有限元分析结果如表2所示。

表2 松土器有限元分析结果

通过上述分析可知：在正常工作中，松土器会发生所受应力超出许用应力的状况，出现在斗齿的齿尖上，应当对齿尖的结构进行相应改进，以满足最大应力不超出许用应力的要求。而且主板和加强板的应力都较小，说明主板和加强板还都可以进行适当的改进，以减小整机质量。

3 结束语

依据松土器的实际结构，通过Creo软件建立三维模型，利用Creo 中集成的Simulation 对松土器做有限元分析，进行结构的强度和刚度校核。通过对松土器结构受力的理论分析，建立松土器有限元模型并进行分析计算，基于有限元分析方法不仅使得计算更加便捷，还能够规避过于繁琐的计算带来的误差。得出其在作业时的应力和应变的分布图，获得了应力、应变和最小安全系数等参数，可以很好地缩短产品开发周期，提高产品设计质量。结果表明，松土器在斗齿的齿尖部位所受应力大于许用应力，长时间会引起塑性变形乃至出现裂纹。可以通过加强钢板的厚度和齿尖形状让应力集中在强度更高的部分。同时，也可以通过对主板和加强板进行改进来减小松土器的质量。