拖拉机后挖掘工作装置的设计方法研究.pdf

50建设机械技术与管理 2023.04 设计计算0 前 言农村经济发展状况与农业机械化程度有着密切的关系，拖拉机已经成为农民不可或缺的农用机械。拖拉机上配套的农机具主要是进行播、耕、收等作业,每年用于农田作业的时间较短,造成了比较严重的设备闲置和资源浪费。拖拉机后挖掘装置是对拖拉机功能的工程拓展应用。其广泛应用于农田水利建设、工业和民用建筑、园林、公路养护、等领域。本文以某型号拖拉机产品为研究基础，运用 Pro/E 软件和 ANSYS 软件对拖拉机后挖掘工作装置进行优化设计，其优化结果满足设计要求，此设计方法可以为后续设计者提供设计参考。1 后挖掘工作装置机构简图拖拉机后挖掘工作装置由动臂、斗杆、摇臂、连杆、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和铲斗组成，见图 1，将其简化得到平面连杆机构运动简图如图 2 所示，其中 ACDF 为动臂、EFGI 为斗杆、HI 为摇臂、HJ 为连杆、BC 为动臂油缸，DE 为斗杆油缸，GH 铲斗油缸。2 后挖掘工作装置优化目标及机构设计结合市场调研和产品定位，定义后挖掘工作装置的参数目标。运用 Pro/E 软件建立后挖掘工作装置的骨架模型，在骨架中建立静力分析草图，通过调整骨架模拟多种工况姿态，进行后挖掘工作装置的点位设计。优化设计的后挖掘工作装置技术参数见表 1，优化得到的后挖掘工作装置的运动轨迹如图 3，符合定义要求。3 三维模型设计确定拖拉机后挖掘工作装置的点位后，利用 PRO/E 软拖拉机后挖掘工作装置的设计方法研究Research on Design Method of Tractor Backhoe唐永治 付莹（广西柳工农业机械股份有限公司，广西 柳州 545000；柳州城市职业学院，广西 柳州 545000）摘要：拖拉机后挖掘工作装置是对拖拉机功能的工程拓展应用之一,其工作装置设计的合理性和质量直接影响着机具的各项工作性能。本文以某型号拖拉机产品为研究基础，详细的介绍拖拉机后挖掘工作装置的设计方法。首先运用 Pro/E 软件进行骨架放样，在骨架模型中进行点位设计和动力学分析，然后运用 Pro/E 软件进行三维模型的创建，再使用 ANSYS 软件对主要结构件的强度进行应力仿真分析。结果表明，此种后挖掘工作装置的设计方法是可行的，可以为后续设计者提供设计参考。关键词：拖拉机；后挖掘；工作装置；设计方法中图分类号：S229+.2 文献标识码：A 图 1 工作装置示意图图 2 工作装置机构简图挖掘工作装置参数项目单位目标参数优化参数斗容m0.1 0.180.15卸料高度mm 30003512最大挖掘深度mm 15001513平地挖掘范围mm 30003521斗杆最大挖掘力kN 910铲斗最大挖掘力kN 1313.5表 1 挖掘工作装置参数优化目标及优化值基金项目：本文系柳州城市职业学院 2023 年科研课题基于模块化的拖拉机后挖掘装置的设计与研究的阶段性成果。（项目编号：2023KYYB19）2023.04 建设机械技术与管理 51设计计算件对工作装置进行三维实体建模，对各极限工况进行运动仿真，检查干涉和最小间隙，优化后的后挖掘工作装置三维模型见图 4。A 点约束 X、Y、Z 方向位移为 0，约束 Y、X 轴旋转度为 0，放开 Z 轴旋转自由度。B 点建立一个 X 轴与油缸方向重合的坐标 2，基于坐标 2 约束 X 方向位移为 0，放开 Y、Z 方向位移自由度，约束 Y、X 轴旋转度为 0，放开 Z 轴旋转自由度。添加约束后，施加 A 点和 D 点载荷，得到动臂有限元模型如图 5 所示。图 3 工作装置运行轨迹图图4 三维模型4 结构强度有限元分析根据后挖掘工作装置的典型作业工况，对后挖掘工作装置各部件进行结构强度有限元分析。本文以动臂液压缸与斗杆液压缸作用力臂最大状态的挖掘工况为例，进行结构强度有限元分析方法说明。首先，运用静力学平衡原理，求解挖掘工况下，最大挖掘力时的各铰点载荷，得出各铰点力值数据。（其中CB,DE,GH,HJ,HI 均为二力杆，A，B 为固定铰接点。）然后，将动臂三维模型进行简化处理后导入到 ANSYS Workbench，对各受力点施加载荷和约束进行有限元仿真分析。图 5 添加载荷和约束后的动臂有限元模型完成模型的加载和约束后，可以求解出动臂应力分布云图，如图 6 所示。应力较大点分布在动臂油缸铰点周边，最大应力值为 165.95MPa，安全系数为 345/165.95=2.07，大于 1.5 倍安全系数，动臂结构满足设计强度要求。同样方法，有限元分析斗杆、连杆、摇臂的可靠性，应力云图如下图 7、图 8、图 9，均满足设计强度要求。图 6 添加载荷和约束后的动臂有限元模型图 7 斗杆应力分布云图图 8 连杆应力分布云图图 9 摇臂应力分布云图5 结 论（1）本文针对某款拖拉机后挖掘工作装置的开发，提（下转第 54 页）54建设机械技术与管理 2023.04 设计计算些环节可能出现意外错误，如不能及时判断识别，就会造成一定的损失。在来料跟卸料环节，因缺少人工对原材料的直接检测判断，可能会出现原材料质量不合格或送错料仓的情况，如未及时发现还会造成混凝土质量事故。对此需在送料环节增加骨料含水率检测及骨料形态在线监测系统，以提高系统的可靠性，避免以上隐患。布置在料斗出口的湿度检测仪可实时提供骨料含水率数据，根据系统设定的参数值判定骨料含水率是否超标。南方路机开发的 AI+骨料智能上料系统，可实现骨料形态在线监测，采用人工智能和视觉监测技术，在骨料输送过程中对骨料形态在线识别检测，见图 5。当 AI 判断骨料规格与目标料仓不符，则发出警报，提醒工作人员检查干预。通过骨料智能检测与人工双重检查，可大大提高整个系统运图 5 骨料形态在线检测系统作的安全性。在设备的运行过程中，故障不可避免，系统如何检测、判断、处置，是未来研究的重要方向。这里主要讨论皮带机运行监测系统。除了常规的皮带跑偏检测、料流检测等，系统还需增加皮带机带速检测。当上料系统中某条皮带机带速持续异常时，系统作出故障判断，从前至后顺序停机，以保证整个上料线的安全。否则前端会持续送料到此皮带机，导致转接处骨料拥堵，前端皮带机会过载停机，甚至引发生产安全事故。4 结 语通过自动化骨料库的建设，有效降低物料转运能耗，促进预拌混凝土行业的绿色低碳发展。随着骨料库信息化、智能化技术的发展完善，进而实现整个系统的无人化，为建设预拌混凝土智慧工厂舔砖加瓦。参考文献1 T/CBCA008-2021 预拌混凝土智慧工厂建设及评价标准 S.2 李军.绿色混凝土搅拌站研究及发展方向 J.建设机械技术与管理，2021(5):122-125.收稿日期：2023-03-28作者简介：王佳，学士，工程师，主要从事预拌混凝土搅拌设备的技术研究。上接第 51 页出了全面的设计方法。（2）拖拉机后挖掘工作装置的设计过程中，采用了计算机辅助点位设计，运动仿真、三维建模和有限元应力分析，提高了设计质量，缩短了设计周期。此产品已批量推向市场，用户反馈良好。参考文献1 曾海霞，沈勇，魏加洁，等.基于特殊工况的大吨位超高卸工作装置研发与应用 J.工程机械，2022，53（8）：51-54.2 刘相，柳波，龚艳玲，等.中型液压挖掘机工作装置设计方法研究 J.机械设计与制造，2014（8）:194-197.3 庞朝利，吴书建.基于有限元分析的挖掘机动臂强度校核及轻量化设计 J.装备制造技术，2022（2）：47-49.4 高伟.小型挖掘机工作装置仿真分析及轻量化设计 J.机械管理开发，2022（8）：11-13.5 肖頔，杨彬，何浏.液压挖掘机工作装置的设计与计算J.装备制造技术，2016（8）：31-32.收稿日期：2023-05-06作者简介：唐永治，学士，高级工程师，主要从事农用机械方面的研究。