劉 斌 徐滬萍 王 磊
武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063

摘 要：以配備液壓破碎錘的反鏟挖泥船反鏟挖泥機(jī)為研究對象，簡單介紹加裝液壓破碎錘方案，然后運(yùn)用動力學(xué)理論和相關(guān)的動態(tài)仿真軟件，通過建立反鏟挖泥機(jī)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?#xff0c;模擬計算獲得反鏟挖泥機(jī)作業(yè)過程中臂架結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點應(yīng)力分布情況以及危險節(jié)點的動態(tài)響應(yīng)應(yīng)力歷程，為反鏟挖泥機(jī)加裝破碎錘提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：反鏟挖泥機(jī)；動力學(xué)；剛?cè)狁詈?#xff1b;動態(tài)應(yīng)力

中圖分類號：TH213.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-0785（2018）07-0108-05

隨著我國疏浚行業(yè)的逐步發(fā)展，與之配套的疏浚裝備面臨的考驗也越來越多，目前在大型反鏟挖泥機(jī)頭部配備液壓破碎錘進(jìn)行水下破碎作業(yè)，能有效縮短施工周期，值得研究、推廣。本文針對HB10000 型液壓破碎錘結(jié)構(gòu)體與挖泥機(jī)臂架系統(tǒng)本身連接的可行性進(jìn)行了分析和研究，運(yùn)用動力學(xué)理論以及相關(guān)的仿真軟件（ADAMS）進(jìn)行臂架結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析。

1 反鏟挖泥機(jī)加裝破碎錘結(jié)構(gòu)方案
配備有液壓破碎錘（HB10000 型）挖泥船挖泥機(jī)裝配總圖如圖1 所示。新設(shè)計的破碎錘支承架結(jié)構(gòu)為箱型結(jié)構(gòu)，其與小臂頭部和直連桿連接的銷孔位置鑲有耐磨襯套，連接銷軸和端蓋均采用原鏟斗與小臂及直連桿連接的銷軸。當(dāng)需要破碎錘進(jìn)行水下破巖作業(yè)時，拆卸鏟斗連接銷軸，安裝破碎錘支承架，然后再安裝破碎錘。

2 反鏟挖泥機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)
對于諸如大臂、小臂、連桿、破碎錘支承架需要重點研究關(guān)注其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的構(gòu)件，把它們作為柔體處理；液壓缸的閉鎖功能使液壓缸皆處于固定狀態(tài)，一般只需要在模型仿真分析中提取得到其作用力，因此，將液壓缸組作為剛體處理；同時將破碎錘作為剛體處理。利用Ansys 建立有限元模型生成相應(yīng)的MNF 模態(tài)中性文件，將對應(yīng)的構(gòu)件通過ADAMS接口讀取后，添加約束關(guān)系。添加約束后的BA1100 反鏟挖泥機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)臂架系統(tǒng)虛擬模型[1，2] 如圖2 所示。

1. 破碎錘 2. 破碎錘支承架 3. 直連桿 4. 鏟斗連桿 5. 鏟斗液壓缸(2 個) 6. 小臂
7. 小臂液壓缸(2 個) 8. 大臂 9. 大臂液壓缸(2 個) 10. 轉(zhuǎn)臺 11. 回轉(zhuǎn)支承 12. 支承圓筒
圖1 加裝破碎錘挖泥機(jī)裝配總圖

圖2 反鏟機(jī)臂架剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)

3 工況確定及載荷計算
3.1 工況分類
選擇5 種典型工況進(jìn)行分析：工況1 反鏟機(jī)處于10 m 幅度、水下5 m 挖深位置進(jìn)行鑿巖作業(yè)，水位線以上的臂架結(jié)構(gòu)受到蒲氏8 級風(fēng)力作用，水位線以下的臂架結(jié)構(gòu)受到水流作用（流速為3.3 m/s），考慮船舶橫傾1°；

工況2 反鏟機(jī)處于10 m 幅度、水下25 m 挖深位置進(jìn)行鑿巖作業(yè)，水位線以上的臂架結(jié)構(gòu)受到蒲氏8 級風(fēng)力作用，水位線以下的臂架結(jié)構(gòu)受到水流作用（流速為3.3 m/s），考慮船舶橫傾1°；

工況3 反鏟機(jī)處于20 m 幅度、水下25 m 挖深位置進(jìn)行鑿巖作業(yè)，水位線以上的臂架結(jié)構(gòu)受到蒲氏8 級風(fēng)力作用，水位線以下的臂架結(jié)構(gòu)受到水流作用（流速為3.3 m/s），考慮船舶橫傾1°；
工況4 反鏟機(jī)處于25 m 幅度、水下5 m 挖深位置進(jìn)行鑿巖作業(yè)，水位線以上的臂架結(jié)構(gòu)受到蒲氏8 級風(fēng)力作用，水位線以下的臂架結(jié)構(gòu)受到水流作用（流速為3.3 m/s），考慮船舶橫傾1°；工況5 反鏟機(jī)處于25 m 幅度、水下20 m 挖深位置進(jìn)行鑿巖作業(yè)，水位線以上的臂架結(jié)構(gòu)受到蒲氏8 級風(fēng)力作用，水位線以下的臂架結(jié)構(gòu)受到水流作用（流速為3.3 m/s），考慮船舶橫傾1°。

3.2 載荷計算
3.2.1 自重載荷
反鏟機(jī)臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自重載荷

式中：G1 為轉(zhuǎn)臺自重，G2 為液壓缸組自重，G3 為大臂結(jié)構(gòu)自重，G4 為小臂結(jié)構(gòu)自重，G5 為液壓破碎錘結(jié)構(gòu)自重，G6 為鏟斗連桿結(jié)構(gòu)自重，G7 為直連桿結(jié)構(gòu)自重，G8 為液壓破碎錘支承架結(jié)構(gòu)自重。

3.2.2 外部載荷
反鏟機(jī)進(jìn)行鑿巖作業(yè)時，外部載荷主要有錘體結(jié)構(gòu)的反作用力、臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到水的浮力以及水流的沖擊、海風(fēng)對臂架系統(tǒng)的風(fēng)阻力、風(fēng)浪引起的船舶傾斜載荷。

1）破碎錘反作用力
阿特拉斯科普克液壓破碎錘HB10000 參數(shù)為機(jī)身質(zhì)量10 000 kg、驅(qū)動液壓16 ～ 18 MPa、打擊頻率250 ～ 380 次/min、最大輸入功率159 kW、緩沖力170 kN。取HB10000 破碎錘最小反作業(yè)力為170 kN。

2）水的浮力

挖泥機(jī)在水中進(jìn)行破巖作業(yè)時，臂架系統(tǒng)還受到水的浮力作用，有

式中：ρ 為水的密度，V 1 為液壓破碎錘體積，V 2為破碎錘支承架的體積，V 3 為小臂液壓缸體積，V 4 為小臂于水中部分的體積，g 為重力加速度。

3）迎風(fēng)阻力和水流沖擊載荷
迎風(fēng)阻力和水流沖擊載荷大小與反鏟機(jī)結(jié)構(gòu)所處的工作姿態(tài)有關(guān)。臂架進(jìn)行水下破巖作業(yè)時，位于水面以下的部分會受到水流的沖擊作用，位于水上的結(jié)構(gòu)將受到風(fēng)力作用。迎風(fēng)面積取垂直于臂架系統(tǒng)變幅平面，用S1 表示，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)力系數(shù)c=1.5，風(fēng)壓q=267.8 N/m2，
故風(fēng)載荷

迎水面積同樣取垂直于臂架系統(tǒng)變幅平面，迎水面積S2，參考風(fēng)力系數(shù)c=1.5，水壓 ， 水流速
度v=3.3 m/s，則水流沖擊載荷

迎風(fēng)阻力和水流沖擊力的合力F=F風(fēng)+F水。
迎風(fēng)阻力和水流沖擊力對挖泥機(jī)臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作用的加速度

4）船舶橫傾載荷
挖泥船在進(jìn)行作業(yè)時，一般都伴隨有波浪的影響，考慮船舶橫傾角度1°，不考慮船舶縱傾（一般船舶左右搖擺即橫傾角度明顯大于縱傾角度），重力加速度沿水平方向X 軸的加速度分量

重力加速度沿豎直向下方向Y 軸的加速度分量

3.3 載荷組合
挖泥機(jī)破巖作業(yè)載荷組合見表1。

4 動力學(xué)仿真及分析
根據(jù)所述5 種典型工況和表1 的載荷組合， 在ADAMS 軟件內(nèi)對臂架剛?cè)狁詈夏Ｐ褪┘舆吔鐥l件，進(jìn)行動力學(xué)仿真分析[3]，本文只展示了工況1 最低和最高破碎錘作業(yè)頻率的分析結(jié)果。

4.1 工況1 破碎錘作業(yè)頻率250 次/min
工況1 作業(yè)頻率為250 次/min 時，挖泥機(jī)臂架系統(tǒng)整機(jī)應(yīng)力云圖見圖3。對應(yīng)力值較大的節(jié)點信息進(jìn)行提取，如圖4 所示。

圖3 工況1 作業(yè)頻率250 次/min 整機(jī)應(yīng)力云圖

圖4 大臂、小臂、支承架最大應(yīng)力節(jié)點動態(tài)應(yīng)力曲線

1）最大應(yīng)力節(jié)點出現(xiàn)在破碎錘支承架上, 最大應(yīng)力值在0 時刻出現(xiàn), 說明此工況下破巖作業(yè)的初始瞬時階段有較大的沖擊；

2）各個柔性體構(gòu)件的最大應(yīng)力值并不是出現(xiàn)在同一時刻；

3）大臂和破碎錘支承架應(yīng)力值較大，小臂應(yīng)力值適中，連桿的應(yīng)力值很小，說明此工況下，大臂、破碎錘支承架以及小臂為主要的承載構(gòu)件；

4）0 時刻之后，破碎錘支承架上節(jié)點應(yīng)力迅速減小，大臂上節(jié)點應(yīng)力由較大值迅速減小到一較穩(wěn)定值后呈正弦波動變化, 小臂上節(jié)點應(yīng)力由較小值迅速增大到一較穩(wěn)定值后呈正弦波動變化，大臂、小臂、支承架明顯受到載荷沖擊；

5）三條曲線0 時刻載荷的驟變反映出，破碎錘破巖初始階段臂架系統(tǒng)受到載荷的沖擊作用較明顯，經(jīng)過較短時間后節(jié)點應(yīng)力均趨于穩(wěn)定，呈正弦變化波動，臂架系統(tǒng)整體受載良好。

通過對臂架系統(tǒng)液壓缸組的約束鉸點進(jìn)行監(jiān)測，得到液壓缸組（大臂液壓缸、小臂液壓缸、鏟斗液壓缸）的受力曲線，如圖5。可以發(fā)現(xiàn)：1）初始時刻大臂液壓缸和小臂液壓缸受到載荷波動變化非常明顯，載荷波動很大，液壓缸組結(jié)構(gòu)明顯受到初始載荷的沖擊，鏟斗液壓缸受力相對大、小臂液壓缸組很小；2）液壓缸組的受力在短時間的沖擊之后, 都趨于穩(wěn)定，呈正弦趨勢變化。

圖5 液壓缸組受力曲線

4.2 工況1 破碎錘作業(yè)頻率380 次/min
工況1 作業(yè)頻率為380 次/min 時，挖泥機(jī)臂架系統(tǒng)整機(jī)應(yīng)力云圖如圖6。對應(yīng)力值較大的節(jié)點信息進(jìn)行提取，如圖7 所示。

圖6 工況1 作業(yè)頻率380 次/min 整機(jī)應(yīng)力云圖

圖7 大臂、小臂、支承架最大應(yīng)力節(jié)點動態(tài)應(yīng)力曲線

1）最大應(yīng)力節(jié)點出現(xiàn)在破碎錘支承架上，最大應(yīng)力值在0 時刻出現(xiàn)；2）各個柔性體構(gòu)件的最大應(yīng)力值并不是出現(xiàn)在同一時刻；3）大臂和破碎錘支承架受力較大，小臂受力適中，連桿的應(yīng)力值很小，說明此工況下，大臂、破碎錘支承架以及小臂為主要的承載構(gòu)件；4）0 時刻之后，破碎錘支承架上節(jié)點應(yīng)力迅速減小，大臂上節(jié)點應(yīng)力由較大值迅速減小到一較穩(wěn)定值后呈正弦波動變化, 小臂上節(jié)點應(yīng)力由較小值迅速增大到一較穩(wěn)定值后呈正弦波動變化，大臂、小臂、支承架明顯受到載荷沖擊；5）三條曲線0 時刻載荷的驟變反映出，破碎錘破巖初始階段臂架系統(tǒng)受到載荷的沖擊作用較明顯，經(jīng)過較短時間后節(jié)點應(yīng)力均趨于穩(wěn)定，應(yīng)力值大小適中，呈正弦變化波動，臂架系統(tǒng)整體受載良好。通過對臂架系統(tǒng)液壓缸組的約束鉸點進(jìn)行破巖作業(yè)全程力的監(jiān)測，得到液壓缸組的受力曲線，如圖8。可以發(fā)現(xiàn)：1）初始時刻大臂液壓缸和小臂液壓缸受到載荷波動變化非常明顯, 載荷波動很大, 液壓缸組結(jié)構(gòu)明顯受到初始載荷的沖擊, 鏟斗液壓缸受力相對較大、小臂液壓缸組很小；2）液壓缸組的受力經(jīng)過短時間的沖擊之后，都趨于穩(wěn)定，呈正弦趨勢變化。

圖8 液壓缸組受力曲線

4.3 對比分析
1）柔性體結(jié)構(gòu)受力對比對工況1 兩種情況下的柔體結(jié)構(gòu)件熱點信息進(jìn)行對比分析：臂架系統(tǒng)在全程仿真時間3 s 內(nèi)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在統(tǒng)一構(gòu)件、同一時刻，均為0 時刻，應(yīng)力大小均為64.24 MPa，均為同一節(jié)點625。但是通過對柔性體構(gòu)件的熱點信息統(tǒng)計（如表2），除了支承架外，大臂、小臂、連桿的最大應(yīng)力值大小、出現(xiàn)時刻、節(jié)點號均不同，說明在作用力相同時，載荷頻率的不同對臂架系統(tǒng)的受力有影響。

2）液壓缸受力狀態(tài)對比
通過對比兩種頻率下液壓缸的受力曲線可以得到3組液壓缸組的最大推力值（見表3），液壓缸組的受力大小基本相同，但是最大推力值存在不同步現(xiàn)象，另外，高頻下的液壓缸受力曲線的正弦特性有些失真。

受篇幅限制，本文僅展示工況一的分析情況，其他4 種工況與工況1 的分析結(jié)果相似，區(qū)別在于最大應(yīng)力值不同。臂架系統(tǒng)18 m 大臂結(jié)構(gòu)和13.5 m 小臂結(jié)構(gòu)材料均選用D550 材料，破碎錘支承架材料為DH36。根據(jù)上述5 種典型工況的動力學(xué)計算結(jié)果分析，大臂結(jié)構(gòu)和小臂結(jié)構(gòu)及破碎錘支承架動態(tài)應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力。反鏟挖泥機(jī)液壓缸組的工作壓力為29 MPa。各工況下最大油壓為17.4 MPa，小于液壓缸組的額定工作油壓，液壓缸組在進(jìn)行破巖作業(yè)時，液壓系統(tǒng)承受的壓力在許用范圍內(nèi)，液壓缸組能滿足破巖作業(yè)要求。

5 結(jié)論
利用有限元分析軟件Ansys 建模得到挖泥機(jī)臂架系統(tǒng)中大臂、小臂、連桿、支承架的MNF 模態(tài)中性文件，進(jìn)而通過ADAMS 柔性體接口讀取文件得到柔性體, 最后完成挖泥機(jī)臂架系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型, 根據(jù)工況要求進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析。對動力學(xué)分析結(jié)果的處理：對柔性體構(gòu)件提取結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力節(jié)點表和最大應(yīng)力節(jié)點動態(tài)應(yīng)力曲線。仿真分析結(jié)果表明反鏟挖泥機(jī)臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在進(jìn)行破巖作業(yè)過程中大臂、小臂、連桿、支承架等鋼結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度滿足要求。對大臂、小臂、鏟斗3組液壓缸組，分別提取了液壓缸組的受力曲線，提取各工況下各液壓缸的受力最大值換算得到的最大油壓值。仿真計算結(jié)果表明，三組液壓缸組均受載良好。對加裝破碎錘后反鏟挖泥機(jī)臂架系統(tǒng)動力學(xué)計算校核結(jié)果表明，“津泰”船反鏟機(jī)加裝液壓破碎錘在結(jié)構(gòu)上是可行的，能夠滿足破碎錘水下施工的破巖工作。

參考文獻(xiàn)
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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的abaqus生成adams柔性体_基于ADAMS 的大型反铲挖泥机加装破碎锤 结构动力学分析的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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