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地下鏟運機是礦山開采的重要設(shè)備，而驅(qū)動橋又是鏟運機的重要部件，直接影響著整機性能。大量實踐表明，由于受力復(fù)雜，它是車輛上比較容易被破壞的部件之一。
CY-2型地下鏟運機是北京安期生公司自行研制的一種柴油鏟運機，其驅(qū)動橋殼由安期生公司和徐州美馳車橋公司聯(lián)合生產(chǎn)。使用中發(fā)現(xiàn)，有些驅(qū)動橋殼焊接處在未達(dá)到預(yù)期壽命時出現(xiàn)了斷裂。本研究主要分析橋殼的破壞原因并對其進行相應(yīng)的改進，所得結(jié)論已應(yīng)用于指導(dǎo)產(chǎn)品的改進。
有限元分析法是計算數(shù)學(xué)、計算力學(xué)和計算工程科 學(xué)領(lǐng)域里誕生的最有效的計算方法之一，己被廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)件的強度和剛度計算。它既可以進行新產(chǎn)品的強度設(shè)計，又能用來對己有產(chǎn)品進行驗算，還可以分析產(chǎn)品失效的原因并進行改進。本文ANSYS的Workbench模塊對橋殼靜強度進行計算。
(1)幾何模型。首先用Pro/E建立橋殼的三維模 型，然后導(dǎo)入Workbench，選用四面體單元掃掠(sweeping)生成網(wǎng)格，控制單元尺寸為0.02 m，共得 到85673個結(jié)點，51964個單元，劃分網(wǎng)格后的幾何模型如圖所示。
(2)約束。驅(qū)動橋殼的約束部位一般選擇在軸頸處或者與車架的連結(jié)處，本文選擇與車架連結(jié)的 安裝塊表面作為全約束部位。
(3)載荷。橋殼既受到力和彎矩的作用，也受到轉(zhuǎn)矩的作用。本文采用分離體的方法，根據(jù)力的平衡條件、附著條件和牽引條件，推導(dǎo)計算了制動、切入、鏟取、推壓4種典型工況下橋殼受到的各種極值載荷。
(4)材料屬性。橋殼由本體和半軸套管焊接而成，本體材料ZG270-500，套管材料40Cr，彈性模量 分別為210 GPa和206 GPa，泊松比為0.3，計算中可任取一種彈性模量，其差別微小。圖分別是鏟取工況下橋殼的等效應(yīng)力和拉應(yīng)力分布圖，圖是橋殼各部分名稱圖。根據(jù)計算結(jié)果，可得以下結(jié)論：(1)法蘭根部焊接處是拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)的部位，也是各工況中等效應(yīng)力較大的部位，鏟取工況時的等效應(yīng)力約為140 MPa。該處外表面為尺寸突變 處，直徑從238 mm突然減小到140 mm，內(nèi)表面則是方形截面到圓形截面的過渡邊緣。由于這里的幾何形狀變化劇烈，沒有連續(xù)均勻的過渡，將會出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中。(2)這里還是橋殼本體和半軸套管的焊接連接處。焊接金屬本身的強度并不一定低于母材的強度，但是焊縫的存在造成材質(zhì)和力學(xué)性能的不均勻，會降低連接處的強度。40Cr和ZG270-500都屬于中 碳調(diào)質(zhì)鋼，在焊接熱循環(huán)的作用下，有較大的淬硬傾向，在焊縫及近縫區(qū)易產(chǎn)生冷裂紋和熱裂紋。這些微裂紋一旦形成，在較大的載荷作用下，就會較快擴展直至斷裂，最后造成低周疲勞破壞。
有限元法能夠清晰、直觀地表達(dá)出構(gòu)件的應(yīng)力分布，這給我們帶來了極大的方便。不過，它必須在正確建立有限元模型的前提下，才能給出正確的結(jié)果。本文設(shè)計了一個試驗方法，用電阻應(yīng)變技術(shù)測量橋殼的應(yīng)力分布，然后將試驗結(jié)果與計算結(jié)果進行對比，以便驗證有限元模型的可靠性。
根據(jù)有限元計算結(jié)果及經(jīng)驗，在橋殼上共設(shè)置33個測點，用電阻應(yīng)變片測量了相應(yīng)測點的應(yīng)力。(1)最大應(yīng)力。試驗中的最大應(yīng)力測點位置與計算結(jié)果吻合，位于橋包端面下方凹槽處，圖是不同載荷下的數(shù)值比較。兩者大體符合，只是試驗結(jié)果比計算結(jié)果要大些。這可能是系統(tǒng)誤差引起的，也可能是貼片位置的偏差所致。(2)應(yīng)力分布。圖是載荷半軸套管上7個測點的計算與試驗結(jié)果比較。可以看到，分布趨勢相同，數(shù)值有些差異。總之，無論是最大應(yīng)力還是應(yīng)力分布，計算結(jié)果都和試驗大體相符，證明了有限元模型的正確性。
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