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摘要：装载机工作时，工作环境恶劣，各部件受力大且复杂。为了保证装载机的可靠工作，其各结构件在设计之初应进行应力分析。前车架作为装载机各主要部件的连接枢纽，其结构强度直接影响着装载机整机的使用性能。为了获得可靠的应力计算结果，不管是借助有限元软件还是运用理论分析的方法来求解，一个重要的前提条件都是给出计算对象合理的边界条件。本文以装载机前车架为研究对象，根据前车架各部件的连接和受力特点，分析其在特定工况下的应力分析边界条件。从装载机各主要部件的连接关系入手，根据装载机的作业特性，给出了装载机前车架正常工作时的3种极限工况。结合装载机后车架的重量信息、装载机液压系统工作压力信息以及装载机前车架铰接点位间尺寸信息，可以方便地计算出装载机工作时，前车架各外力作用点处所受到的极限外力的方向和大小，这将为后续进行前车架有限元分析提供有力的计算依据。
关键词：装载机；前车架；工况分析；边界条件；受力计算
1、前车架的基本连接情况
装载机由工作装置、前车架、驾驶室、后车架、驱动桥系统和动力系统组成，其中与前车架有直接接触关系的是工作装置、前驱动桥系统以及后车架与前车架连接处的铰接系统。因此，要完成前车架的边界条件研究任务，重点就是把工作装置与前车架、前驱动桥系统与前车架以及后车架与前车架在连接处的相互作用性质及作用力分析计算出来。
2、前车架极限工况分析
在CLG888和CLG856装载机《土方机械装载机和挖掘装载机第2部分：掘起力和最大提升高度能力的测试方法》中对装载机掘起力进行了定义：距装载机铲斗切削刃前端或曲线形铲斗切削刃（尖角、弧线等）最前点向后100mm，且铲斗切削刃底部与基准地平面(GRP)平行，距离不超过20mm，由提升液压缸或铲斗液压缸产生的最大向上的垂直力，单位为牛顿(N)[1]。在这种受力状态下，通过工作装置系统传递给前车架的载荷也是对前车架结构的极端考验，因此，该受力状态下应纳入前车架应力分析范围，本文将该受力状态称为发挥掘起力工况。
装载机在实际作业过程中，存在一种工况：装载机铲斗平置地面，然后铲斗插入物料，当遇到非松散物料时，接近末了装载机基本会以全功率继续插入，随后斗或抬升动臂以将物料铲入铲斗中。此种工况对前车架的强度和刚度都是一种极限的考验，因此，这是一种需进行强度校核的极限工况，本文将该工况称为全功率铲斗插入工况。装载机在铲装物料（特别是非松散物料）时，由于铲装阻力或物料重量过大，致使装载机出现后车架及附加在后车架上的驾驶室、后驱动轮系统、动力系统的所有重量都通过前车架上的铰接板传递给前车架，此时铰接板的受力情况是非常恶劣的，此情况应列入前车架极限应力分析范围，且重点在于校核铰接板的强度，本文以下将该受力状态称为后轮离地工况。
3.前车架极端工况下边界条件分析
3.1 发挥掘起力工况
本文将图中的载荷F横向（即坐标轴z向）均匀分布于铲斗刀板或集中于铲斗刀板横向中点时称为正载。而将载荷完全集中在铲斗刀板横向的最外侧边缘时称为偏载。前车架的A、S都是有左右两点的，在正载工况时，前车架上的左右A点应平均承担FA，前车架上的左右S点应平均承担FS。根据力线平移定理，可以将偏载力F平移到铲斗的中点，使其变为正载，然后再在此正载的基础上附加一个等效力偶M，该力偶M的力偶矩为(F×L5)/2，其中L5为铲斗的z向宽度。附加力偶的作用面为力F移动前所在作用线与移动后所在的作用线确定的平面。由刚体平衡原理可知，该力偶会通过工作装置传递到前车架。由于装载机左、右两动臂油缸的无杆腔为统一一路供油，有杆腔也是统一一路供油，又左、右两动臂油缸的尺寸相同，根据液压原理，在任何时刻，左、右两动臂油缸提供的推力都是相等的。因此前车架上的左、右S点不会平衡以上附加力偶。根据铲斗与动臂、拉杆的连接形式，可知该附加力偶也不会影响拉杆CD的受力，从而也不会影响前车架G点的受力。
后车架铰接的结构形式如图所示。可以看出，上铰接为固定圆柱铰接，下铰接为固定球铰接。因此，在后轮离地的工况下，在装载机的纵向中面内，前、后车架的连接形式可以简化成如图所示，其中F后车架、L7、L8分别表示后车架组成的重量、后车架总成重心与铰接点间的水平距离、上下铰接点间的竖直方向距离。
前车架的桥搭面通过螺栓与驱动桥固定在一起，此时驱动桥无驱动力，据此将前车架桥的桥搭面设置为约束，在其6个自由度中，只放开z向旋转自由度。上铰接为约束，在上铰接6个自由度中，只放开y向移动和y向旋转自由度。后轮离地工况在后轮离地工况下，主要目的是为了校核上、下铰接板的强度，因此此时只将H、R点作为外力施加点，而其它与外界连接的点可设置为约束，具体如下：①A、G、S为固定铰接约束，每点的6个自由度中，只放开z向旋转自由度；②H、R为外力施加点，外力大小给定；③前车架桥的桥搭面为固定约束。
4、总结
文章根据装载机的作业特点和前车架的结构特征，分析了前车架可能存在的3种极限工况和前车架各节点力的计算方法，最后总结这前面的分析、计算，给出装载机前车架应力分析的五类边界条件的具体计算方法。该边界条件计算方法可供相关设计人员在进行装载机前车架有限元分析时做参考。
参考文献：
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[5] 成凯，李山辉，刘述学，等．装载机工作装置有限元分析[J]．农业机械学报，2001，32(6)：18-21.
论文作者:张国东
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/10
标签：车架论文; 装载机论文; 工况论文; 前车论文; 力偶论文; 工作论文; 应力论文; 《科学与技术》2019年第08期论文;