基于EDEM-FEA的电铲工作装置的力学特性分析及优化设计

摘要

矿山用挖掘机也称电铲，是露天矿开采中的主要大型设备之一，用于矿山表层土石的剥离和矿石的采装作业。电铲工作环境往往比较恶劣，外载荷的变化更具有随机性，导致电铲铲斗和斗杆的频繁破坏，其自身强度可靠性降低，构件的配合协同工作也需要良好运行。因此，论文采用数值仿真方法，针对WK-20电铲的关键部件进行研究，来找到零件的易破坏点和易断裂面，以满足设备在不同工况和环境中的正常、可靠作业。
　　本课题介绍了国内外矿山挖掘设备的发展和研究现状，并探讨了电铲工作装置的研究情况，以及本课题研究的目的和意义。以内蒙古白音华煤矿现使用的WK-20型号挖掘机为研究对象，针对其工作装置在实际使用环境中斗杆疲劳断裂的情况，对其杆件部件铲斗和斗杆进行力学行为分析，研究基于力学理论、数值计算理论，采用多种数值计算软件，发挥各自软件的长处，利用Solidworks软件和Hypermesh软件建模和网格化等前处理工作，用EDEM软件进行铲斗挖掘过程仿真，在此基础上，对电铲的铲斗和斗杆进行有限元分析，包括铲斗的离散元与有限元的耦合分析和斗杆的有限元分析，找到其薄弱环节后再进行结构优化，该研究仿真分析过程对优化设计及现场有一定的指导意义
　　本文主要根据wk-20电铲的实际使用情况，对经常出现的疲劳断裂问题进一步探讨，利用离散元软件模拟整个挖掘过程，输出挖掘阻力数据。找到一种更科学的手段解决挖掘阻力的计算问题，同时利用相关数据进行有限元分析，分析结果显示，铲斗和斗杆的最大应力位置和最大形变位置与实际零件破坏位置基本一致，研究结果符合实际生产工况，在此基础上有针对性的优化工作机构的具体缺陷构件，对斗杆进行直接优化，优化后斗杆的最大应力位置基本没变，但最大应力较之前有所降低，优化设计在提高斗杆强度、将少故障率方面具有一定的效果。

目录

声明

1绪论

1.1 电铲简介

1.2 电铲工作装置介绍

1.3 国内电铲工作装置的研究和发展现状

1.4 国外电铲工作装置的研究和发展现状

1.5 本课题选题背景

1.6 选题的目的及意义

1.7 本课题的研究方法

2电铲工作装置的力学分析和计算

2.1电铲铲斗的力学特性分析

2.2斗杆的力学特性分析

2.3大臂的力学特性分析

3三维模型建立及网格化前处理

3.1铲斗模型的建立

3.2斗杆模型的建立

3.3Hypermesh软件简介

3.4 Hypermesh四面体网格划分及文件导出

3.5单元属性设置及文件导出

4电铲铲斗挖掘过程的离散元仿真分析

4.1离散元素分析法及仿真软件EDEM简介

4.2离散元素分析法与有限元耦合的国内外研究现状

4.3离散元素分析法的基本原理和力学模型

4.4铲斗挖掘过程的离散元仿真

4.5仿真结果处理

5铲斗的有限元分析

5.1有限单元法及Patran、Nastran简介

5.2铲斗的单元应力加载及耦合

5.3铲斗有限元分析结果提取

6电铲斗杆的有限元分析

6.1有限元软件ANSYS简介

6.2工况一斗杆静力学分析

6.3工况三斗杆静力学分析

7电铲斗杆的结构优化设计

7.1优化设计概述

7.2优化设计工具

7.3斗杆的优化设计

7.4优化结果的对比验证

结论

参考文献

在学研究成果

致谢