抓料机工作装置系统设计

谭志行，吕兴业

（广西柳工机械股份有限公司，广西柳州 545007）

工作装置是抓料机的主要组成部分之一，承担着主要作业任务。工作装置可靠性的保证是抓料机正常工作的必要条件。目前针对抓料机工作装置设计计算的资料较少，针对工作装置结构件强度校核工况尚停留在经验设计阶段。本文结合某抓料机开发实例，系统阐述了抓料机工作装置设计基本思路和流程。对工作装置结构件采用截面强度普查法查找危险工况进行阐述，同时利用VB 可视化编程功能，实现流程计算程序化，提高产品开发效率。

1.1 作业参数定义

抓料机作业参数主要包括最大抓取高度、最大抓取深度、最大抓取半径、最大半径时的抓取重量。作业参数的定义应能满足实际作业需求，此外也可采用横向、纵向对比方式。作业参数一般做为工作装置设计的输入项，工作装置的设计应能满足作业参数要求。

1.2 主要参数确定

根据作业参数定义，通过放样确定以下主要参数：动臂长度、斗杆长度、动臂最大转角、动臂最小转角、斗杆最大转角、斗杆最小转角。抓料机一般配置有直动臂和弯斗杆，有利于提高整机的抓取高度。通过实际放样得出的某机型抓料机的作业范围如图1 所示。

图1 作业范围

抓料机的另一个重要参数为起重重量，抓料机起重重量主要受以下4 个因素影响：①动臂油缸的主动提升力；
②斗杆油缸的闭锁能力；
③整机稳定性；
④抓斗的闭锁能力。对于其他属具起吊的情况，也可不考虑抓斗闭锁力。

由于抓斗端载荷方向一般为竖直向下的，可不必考虑地面附着力的影响。按照标准GB/T 13331—2014《液压挖掘机 起重能力测试方法》，抓料机的额定起重重量为：当液压极限状态为限制因素时，在特定载荷点的额定起重重量为最大计算起重重量的87%；
当静载倾翻极限状态为限定因素时，额定起重重量为最大计算起重重量的75%。

根据以上条件分别计算3 种限制条件下的额定起重重量，整机额定起重重量由三者中的最小值确定。某机型抓料机整机起重能力如图2 所示。

通过图2 可以看到各个限制因素对起重能力的影响。整机稳定性限制区域为A 区，占整个作业区域约60%；
动臂油缸主动提升力限制区域为B1 和B2 区域，占整个作业区域约20%；
斗杆油缸闭锁力限制主要分布于C1 和C2 区域，占整个作业区域约20%。通过对比与分析，对相关参数进行改进，可使3 种限制因素达到较好的匹配，同时也为改善特定区域的起重能力提供了改进思路。

图2 整机起重能力

按图3 对抓料机工作装置结构强度进行计算。

图3 工作装置结构

其中：G0～G4 分别为主机重量、动臂重量、斗杆重量、动臂油缸重量和斗杆油缸重量。G 为起重重量，由整机稳定性、动臂油缸主动提升力、斗杆油缸闭锁力限制因素共同决定。E1、E2 分别为：动臂油缸对C 点作用力臂、斗杆油缸对F 点作用力臂。UC0、UC1、UC2 分别为AC 线与水平面夹角、动臂与水平面夹角、斗杆与动臂夹角。L0～L7 分别为对应距离尺寸。

结构强度主要计算流程：①由UC1、UC2 确定工作装置姿态；
②由整机稳定性条件，计算起重重量G_1；
③由整机稳定性条件，计算起重重量G_2；
④由整机稳定性条件，计算起重重量G_3；
⑤由min（G_1、G_2、G_3）得出起重重量G；
⑥由G 反算各个绞点作用力；
⑦由各个绞点作用力校核动臂、斗杆强度。

在实际结构校核的过程中，由于抓料机的作业工况和挖掘机作业工况存在较大差别，很难直接将挖掘机的计算工况直接应用于抓料机结构校核中。而工况的选取对计算结果影响很大，在整个起重范围内，很难选取某一固定的工况做为极限工况。采用应力普查法确定极限工况是结构校核的常用方法。

所谓应力普查法，就是通过对不同姿态下对动臂、斗杆截面的应力进行计算，通过筛选得出各个截面最大应力时的姿态，最后再根据这些姿态进行载荷计算、结构件强度校核的方法。应力普查截面分布如图4 所示。

图4 应力普查截面分布

主要参数包括：①X、Y 为截面形心的坐标值；
②B、H 为截面宽度和高度；
③U 为截面与X 轴正向夹角；
④TH、TL、TF 分别为上翼板、下翼板、腹板厚度。

通过以上参数可以分别计算截面面积S（用于拉压应力的计算）、Z 轴主惯性矩Jz（用于弯曲应力计算）。

以斗杆截面5 为例，介绍如何用断面法计算其正载时截面应力（图5）。

图5 截面应力

其中：Fx、Fy 为Q 点绞点力在斗杆坐标下的X 和Y 分量。

通过截面5 形心新建坐标系X′O′Y′，Y′方向与截面方向重合，X′方向为上翼板与下翼板角平分线方向。

将Fx，Fy 按力的等效变换原则平移至O′处，得出Fx′、Fy′、M′。Fx′使截面产生拉压应力，Fy′使截面产生剪应力，M′使截面产生弯曲应力。考虑到工作装置的长悬臂特性，剪应力一般数值较小，同时截面剪应力的最大值一般位于截面中部，与弯应力的最大值刚好错开，所以一般可忽略Fy′产生的剪应力。最后可通过应力的合成法则和第四强度理论计算等效应力。其他截面均可在绞点力已知的情况下采用相同办法计算得出。

将动臂转角和斗杆转角分别划分为N1 和N2 等份，分别计算每个姿态下动臂、斗杆各个绞点的力，然后采用断面法分别计算动臂、斗杆各个截面的应力值。当所有姿态下各个截面的应力值均计算出来后，再筛选动臂、斗杆每个截面最大应力值及其对应的姿态。最后将筛选的姿态作为极限工况对动臂、斗杆进行结构校核。

由于计算步骤多、计算量大，可以按以上设计思路将计算流程编写成计算机程序，方便后续同类产品设计与对比。在此采用VB 作为编程工具，同时由于在计算中要用到较多的图形交互内容，这里采用dxf 文件作为图形输入和输出的文件。工作装置计算程序预览界面如图6 所示。

图6 计算程序预览界面

工作装置计算程序可以输出整机起重能力图表、各个姿态下的绞点力值、截面普查结果、各姿态下的截面应力值等。

通过以上计算筛选出极限工况姿态，并通过特定截面应力计算，得到部分截面的应力值。为了解整个动臂、斗杆结构的应力分布，同时验证计算程序的正确性，有必要对结构件进行有限元分析。某机型抓料机动臂有限元分析结果如图7 所示。

图7 有限元计算结果

本文通过对抓料机工作装置结构设计主要流程的阐述，指出设计计算中应关注的要点。并通过对采用截面应力普查法对极限工况进行查找的方法讨论，很好地解决了结构强度校核中工作姿态的选用问题。同时通过将计算流程固化为专门针对抓料机工作装置计算程序，极大提高设计效率，为后续同类产品开发打下坚实的基础。