液压破碎锤动臂的静力有限元分析

　　0 引言

　　液压破碎锤作为一种新型液压工程设备 , 广泛应用于矿山岩石的破碎、 工程建设特别是旧城改造、 混凝土构件的拆毁施工中。 将液压破碎锤配备工作支臂、 行走机构、 回转平台、 动力设备及控制装置就形成碎石机，其典型的作业形式是将液压破碎锤安装在挖掘机上进行工作[3]。 由于目前国内各企业对其工作支臂的设计、 制造主要凭经验, 缺乏建立在科学分析基础上的设计方法。因此， 在进行某新型液压破碎锤的工作装置设计时， 采用有限元方法来计算动臂和斗杆的强度， 以准确校核其强度， 评估设计的合理性有着十分重要的意义。 本文以动臂为例说明计算过程。

　　1 工况选择

　　分析与实验表明， 危险断面最大应力发生在液压破碎锤的最大作业高度下， 因此计算位置按以下条件确定[2]：

　　(1) 动臂位于动臂缸作用力臂最大处。

　　(2) 斗杆位于斗杆缸作用力臂最大处。

　　(3) 液压破碎锤位于离回转平台最远位置。

　　按上述条件得到工作装置的计算位置如图 1 所示。在计算工况中， 破碎锤产生主动力， 根据其冲击能量可确定最大冲击力 Fmax。

　　2 动臂几何模型的建立

　　首先在三维 CAD 软件 (UG) 中构建动臂的详细几何模型， 根据本课题分析的目的和分析类型， 对几何模型进行合理简化， 然后从 UG 输出 IGS 格式的中性文件， 由 ANSYS 读入， 最后在 ANSYS 里进一步生成有限元模型[4]。

　　3 约束和载荷

　　工作装置各构件通过销连接， 在计算工况中不考虑偏载的影响， 可以认为其只承受x、 y 方向的力 ， 整个结构为静定结构， 取动臂为隔离体，分别对不同的铰点取矩， 即可计算出动臂各铰点的反力[1]。

　　这样求出的力都是合力。 在实际结构中， 铰点处的受力并非集中力， 而其附近的应力分布又是我们所关心的， 为模拟实际情况， 作如下假定，如图 2 所示。

　　(1) 载荷在 x-y 平面内在 180°范围内按余弦分布。

　　(2) 分布力的方向为沿销孔表面的法向。

　　(3) 载荷在 z 向均布。

　　由假定， 载荷的分布函数为：

　　式中： θ=0～180°; P—为待定系数; α—合力方向与x 轴的夹角。

　　合力 R 已知， 分布力 F 在合力方向的分量之和应等于 R， 由上式可推得待定系数的计算式：

　　式中： l—销孔长度; r—销孔半径。

　　由式 (3) 计算得到各铰点计算位置的参数见表 1。