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前車架是輪式裝載機(jī)的重要部件，是支撐工作裝置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在作業(yè)和行走過程中承受工作裝置傳來的力和力矩。裝載機(jī)的作業(yè)工況復(fù)雜多變，工況考慮得是否周全，各工況下前車架載荷計算是否正確，對前車架結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計的成敗具有至關(guān)重要的作用。目前企業(yè)技術(shù)人員多采用人工計算方法計算前車架載荷，容易出錯，因此研究前車架載荷的高效可靠自動計算方法具有十分重要的意義。應(yīng)某企業(yè)之約，對前車架的變形和應(yīng)力分布進(jìn)行有限元分析。
根據(jù)前車架與工作裝置的靜定連接關(guān)系，提出一種等效結(jié)構(gòu)法，利用工作裝置的等效結(jié)構(gòu)，可快速可靠地求出各工況下前車架承受的載荷。而后對前車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出了15種工況下的變形和應(yīng)力分布。再通過采用導(dǎo)重法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使所有工況最大復(fù)合應(yīng)力從399 MPa下降到218MPa，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量下降11.45%，圓滿完成了廠方提出的優(yōu)化設(shè)計降重5 %以上的要求。
其中A、C、D各有左右兩個點(diǎn)：A1、A2、C1、C2和D1、D2。前車架通過A1、A2、B、C1、C2共5個鉸接點(diǎn)與工作裝置連接，其中A1、A2為兩動臂鉸接處，B為轉(zhuǎn)斗液壓缸鉸接處，C1、C2為兩動臂液壓缸鉸接處，通過E、F鉸接點(diǎn)與后車架連接，通過D1、D2鉸接點(diǎn)與轉(zhuǎn)向液壓缸連接，G點(diǎn)是前橋行進(jìn)轉(zhuǎn)動中心。在對前車架進(jìn)行載荷分析時，E、F、G點(diǎn)作為固支約束點(diǎn)，D點(diǎn)的載荷由轉(zhuǎn)向液壓缸的轉(zhuǎn)向力確定，而A1、A2、B、C1、C2點(diǎn)的載荷與各工況工作裝置的姿態(tài)、作業(yè)力的大小密切相關(guān)。因此，前車架載荷計算的關(guān)鍵就是確定與工作裝置相連的A1、A、B、C1、C2點(diǎn)的由工作裝置傳來的載荷數(shù)值。
(1) 由于工作裝置僅與前車架連接，作業(yè)力施加于工作裝置時，前車架對工作裝置支承力的反力就是工作裝置作用于前車架A1、A2、B、C1、C2點(diǎn)的載荷。
(2) 工作裝置共有7個自由度，即沿3個坐標(biāo)軸的平動自由度(UX，UY，UZ)，繞3個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動自由度(RX，RY，RZ)，還有鏟斗的1個轉(zhuǎn)動自由度。前車架對工作裝置的支承包括：對A1與A2點(diǎn)的對稱支承約束住工作裝置UX、UY、UZ、RX、RY等5個自由度， 對C1、C2兩點(diǎn)的對稱支承約束住工作裝置的Rz自由度，對B點(diǎn)的支承約束住了鏟斗的轉(zhuǎn)動自由度。因此，前車架對工作裝置的支承是靜定的。也就是說，只要給出工作裝置各構(gòu)件所受載荷(包括作業(yè)力與重力)的大小、方向及受力點(diǎn)的相對位置，就可以由工作裝置的靜力平衡方程求得前車架對工作裝置的支承力，計算結(jié)果與工作裝置構(gòu)件的形狀、尺寸、材料和變形無關(guān)。
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