矿用挖掘机斗杆结构有限元分析(论文)

目录第1章绪论....................................................11.1概述........................................................21.2机械式挖掘机国内外发展状况..................................31.3市场前景分析................................................41.4本论文研究的必要性及意义....................................51.5本论文研究的内容............................................6第2章斗杆的结构设计...........................................62.1矿用挖掘机工作装置简介......................................62.2斗杆的结构分析..............................................82.3斗杆的设计计算..............................................82.4斗杆应力的计算.............................................10第3章斗杆模型的建立............................错误!未定义书签。3.1UG概述......................................错误!未定义书签。3.1.1应用软件UG简介.........................错误!未定义书签。3.1.2UG软件的特点...........................错误!未定义书签。3.2参考模型的创建..............................错误!未定义书签。3.3斗杆模型的导入过程..........................错误!未定义书签。第4章斗杆的有限元仿真分析......................错误!未定义书签。4.1有限元方法概述.............................错误!未定义书签。4.2有限元方法的历史...........................错误!未定义书签。4.3有限元方法的基本思想.......................错误!未定义书签。4.4有限元法的分析步骤.........................错误!未定义书签。4.5应用软件ANSYS的介绍.......................错误!未定义书签。4.5.1ANSYS软件简介..........................错误!未定义书签。4.5.2ANSYS的主要特点........................错误!未定义书签。4.6有限元模型的建立...........................错误!未定义书签。4.7单元类型的选择.............................错误!未定义书签。4.8网格划分简介...............................错误!未定义书签。4.8.1选择网格划分方式........................错误!未定义书签。4.8.2指定单元划分形状........................错误!未定义书签。4.9边界条件...................................错误!未定义书签。4.10工况的确定及载荷计算......................错误!未定义书签。4.10.1工况1.................................错误!未定义书签。4.10.2工况2.................................错误!未定义书签。4.11斗杆强度刚度分析..........................错误!未定义书签。4.11.1工况1.................................错误!未定义书签。4.11.2工况2.................................错误!未定义书签。第5章结论.....................................错误!未定义书签。5.1结论........................................错误!未定义书签。5.2展望........................................错误!未定义书签。参考文献........................................错误!未定义书签。致谢...........................................错误!未定义书签。第1章绪论1.1概述目前，大型矿用机械式电铲挖掘机在国内、国际的矿山开采及工程施工行业中有着广泛的应用，其性能的优劣对生产率的有很大的影响。在国际市场竞争日趋激烈的今天，如何提高产品的质量是提高其市场竞争力的关键。大型矿用机械式电铲挖掘机结构非常复杂，绝大多数是多发动机同时驱动，其工作环境十分恶劣，外载荷随机性变化，因此在设计新产品时，为了使其能够作业安全，工作顺畅，除必要的理论分析和静强度计算外，还必须要进行动力学、动力学及有限元分析，以保证机械设计的可靠性和性能的优化。1.2机械式挖掘机国内外发展状况1954年我国第一台斗容量为13m的机械传动式正铲挖掘机试制成功,开始了我国挖掘机的生产。1977年研制出WK--l0（斗容量为8-123m),WD-2000（斗容量为10-153m)，才使大型矿用挖掘机生产有了新的突破。随着采矿工业的发展，我国从美国P&H公司引进技术，生产了斗容量为163m和233m的P&H-2300XP和P&H-2800XP两种大型挖掘机，并投入矿山使用。这两种挖掘机的试制成功，标志着我国的机械式电铲挖掘机制造技术又前进了一步。虽然我国机械式电铲挖掘机制造近年来有很大的发展，但其产品质量与发达国家相比还是相当落后的，这不仅反映在工艺水平上，还反映在设计水平上。在大型矿用挖掘机方面的主要差距体现为铲斗容量仍然较小、可靠性较差及工作循环时间长等等。近年来，随着我国经济的高速发展，对能源和资源产品的开采使用将以规模化、高效化和清洁化为主要方向。根据国家规划，未来5-10年，国家将以建设千万吨级以上的特大型露天煤矿和现代化大型矿井为主，建设大型矿业基地将成为煤炭行业发展的重要方向。冶金工业也面临矿山大型化和设备大型化的发展趋势，对大型矿用挖掘机的需求也十分强劲。长期以来，我国露天矿山所使用的20至50立方米大型矿用挖掘机，一直全部为进口或与外国公司合作生产的产品，其核心制造技术被国外公司所垄断。2006年以来公司成功的研制了具有完全知识产权的203m、273m的挖掘机，打破了国外公司在大型矿用机械的产品和技术垄断，也使公司成为世界上少数几个自主生产大型矿用机械的企业之一。此次技术改造将在原有基础上进行自主研制、开发，适合年产2000万吨级及以上大型露天矿的矿用挖掘机，新增年产量为28台。从需求方面看，预计国内新增需求量将在50台以上。我们认为，在矿山机械大型化和进口替代的大背景下，公司的新项目在未来销售方面不会有明显的压力。近年来，随着高新技术不断地在矿山设备中的应用，以及为适应日益增大的矿用汽车的铲装需要，矿用挖掘机正朝着大型化和智能化方向发展，由于挖掘机在露天采矿和土建工程中的广泛应用，许多工业发达的国家都比较重视挖掘机生产。目前国外制造大型挖掘机的国家主要有美国、日本和西德，法国、英国、意大利、捷克、瑞典等国家也有一定的生产规模。现将几个主要发达国家的挖掘机生产概况分别阐述如下。单斗挖掘机发展较早的国家是美国。1933年美国机械工程师取得了单斗挖掘机的发明权，1936年制造出世界上第一台机械传动挖掘机，其挖掘机生产技术一直处于领先地位，尤其是大容量的矿用挖掘机几乎垄断了资本主义市场，并在机械性能、结构、电器传动技术和运行可靠性方面遥遥领先。美国是出口挖掘机主要国家之一，每年出口量一般占1/4以上。美国生产的挖掘机关键零部件寿命较长并且设备重量较轻。美国生产挖掘机的公司主要有Bucyrus&Eris公司（简称B&E公司）、Harnischfigier公司（简称P&H公司）、马里恩公司等三十多家。其中：B&E公司的主要产品有395-B、295-B、295-B1、290-B等型；P&H公司的主要产品有P&H-2300、P&H-2800、P&H-1900AL、P&H-2100BL等型；马里恩公司的主要产品有204-M、201-M、191-M等型。挖掘机生产的专业化和充足的备件是美国挖掘机工业的特点，铲斗、斗齿、履带板、离合器、制动器、司机室等都有专业生产厂。1.3市场前景分析近年来，随着我国经济的高速发展，对能源和资源产品的开采使用将以规模化、高效化和清洁化为主要方向。根据国家规划，未来5-10年，国家将以建设千万吨级以上的特大型露天煤矿和现代化大型矿井为主。我国将建设13个大型煤炭生产基地，5-7个亿吨级特大企业集团和一批5000万吨以上的大型煤炭企业，建设大型矿业基地将成为煤炭行业发展的重要方向。冶金工业也面临矿山大型化和设备大型化的发展趋势，对大型矿用挖掘机的需求也十分强劲。同时从全球范围看，国际矿产品供应紧张，也使国际市场上对大型矿用机械的需求保持上升的态势。不过长期以来，我国露天矿山所使用的20至503m大型矿用挖掘机，一直全部为进口或与外国公司合作生产的产品，其核心制造技术被国外公司所垄断。太重是我国最早生产制造大型矿用挖掘设备的企业，大型挖掘机的发展经历了原始创新、合作制造和引进消化吸收再创新三个阶段，一直在国内的前列。2006年以来太重成功的研制了具有完全知识产权的203m、273m的挖掘机，并在神华准格尔能源有限公司投入使用，打破了国外公司在大型矿用机械的产品和技术垄断，也使公司成为世界上少数几个自主生产大型矿用机械的企业之一。与国外产品相比，太重产品具有30%以上的价格优势。目前，太重已把重点放在开发研制353m挖掘机上，503m挖掘机的开发生产也列入发展规划。此次技术改造将在原有基础上进行自主研制、开发，适合年产2000万吨级及以上大型露天矿的矿用挖掘机，标准斗容量为203m、273m、353m、553m的超大型机械式矿用挖掘机，新增年产量为28台。从需求方面看国内即将开发的年生产能力达1500万吨的大型露天煤矿至少有10座，需要273m以上的大型挖掘机至少40台以上；同时，露天采矿业对273m挖掘机需求也在15台以上，市场很大。因此我们认为，在矿山机械大型化和进口替代的大背景下，公司的新项目在未来销售方面不会有明显的压力。1.4本论文研究的必要性及意义近年来，随着我国国民经济的发展，我国的挖掘机行业也取得了很大的成就，但无论其技术水平还是其产品质量，与世界先进水平相比还有一定距离[8]。而造成这种现状的一个重要原因就是设计方法的落后。众所周知，产品的设计质量对产品的使用质量的影响至关重要，而动力学研究的目的就是设法提高产品的设计质量，以求在根本上保证产品的动强度和可靠性。目前，我国的大型机械式挖掘机在设计水平上、设计手段及产品质量上与国外同类产品相比尚有较大差距。国外已经将人——机——环境作为一个系统统一考虑，提倡振动低、噪音低的绿色设计，将现代设计方法普遍的应用于挖掘机设计，使产品设计现代化及性能可靠。而我国仍然采用传统的仿形设计，近年来才将现代设计方法逐步应用到挖掘机的设计上。本文是对挖掘机进行动力学及有限元仿真分析，适应我国矿用挖掘机发展的需要，充分利用前人的研究成果和已有的实验数据，在