基于有限元分析的挖掘機(jī)工作裝置耳板設(shè)計(jì)

苑春迎　陸勇志

摘要：闡述了挖掘機(jī)耳板的作用，基于有限元分析法，對挖掘機(jī)動(dòng)臂耳板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，旨在設(shè)計(jì)出符合工作要求的耳板。

關(guān)鍵詞：有限元；挖掘機(jī)；耳板

挖掘機(jī)在工程機(jī)械中占有舉足輕重的地位，廣泛應(yīng)用于房屋建筑、道路工程、農(nóng)田水利，市政工程，公路鐵路，機(jī)場港口、國防工程等領(lǐng)域機(jī)械化施工，對保證工程質(zhì)量，提高工作效率起著十分重要的作用。

挖掘機(jī)利用工作裝置進(jìn)行各種挖掘工作，挖掘機(jī)動(dòng)臂和斗桿上分別有一對耳板，油缸以耳板為支撐做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)挖掘動(dòng)作。耳板的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到工作裝置的可靠性，一旦耳板工作失效將導(dǎo)致油缸不能正常工作，整個(gè)挖掘機(jī)工作故障?；谟邢拊治?，對設(shè)計(jì)的耳板進(jìn)行強(qiáng)度校核，可以在設(shè)計(jì)之初發(fā)現(xiàn)問題，減少產(chǎn)品開發(fā)周期及成本，提高整機(jī)運(yùn)行的可靠性。

1.耳板

圖1挖掘機(jī)工作裝置示意圖

圖1中④是挖掘機(jī)動(dòng)臂耳板。

圖2為某噸位挖掘機(jī)耳板設(shè)計(jì)圖紙

圖2耳板設(shè)計(jì)圖

2.耳板所受載荷計(jì)算

油缸無桿腔缸徑：170mm

系統(tǒng)工作壓力：32Mp

耳板軸孔：100mm

板厚：35mm

材質(zhì)：Q295B

選取工作時(shí)大腔進(jìn)油，此時(shí)油缸的推力為工作中最大值：

根據(jù)牛頓第三定律，耳板軸孔受力為 。

3.有限元分析

Altair HyperMesh是世界領(lǐng)先的獨(dú)立于求解器的有限元分析前后處理平臺(tái)，擁有全面的CAD和CAE求解器接口，強(qiáng)大的幾何清理、網(wǎng)格劃分以及模型裝配功能。

對耳板進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，共9629個(gè)單元，3008個(gè)節(jié)點(diǎn)。約束底面6個(gè)自由度，軸孔內(nèi)受力面（軸孔內(nèi)面積的一半，方向?yàn)橛透走\(yùn)動(dòng)的反方向）施加壓強(qiáng)大小為：

（1）

利用Hyperworks自帶求解器Radios計(jì)算，分析結(jié)果顯示耳板最大變形為0.139mm，最大應(yīng)力為304Mp。

以上結(jié)果可以看出，耳板在最大載荷情況下，應(yīng)力304MP>295Mp，耳板進(jìn)入塑性變形階段。在最大載荷工況下，鏟斗油缸安裝位置發(fā)生變化，工作裝置不能正常工作且易損壞油缸。即原設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)不到要求，根據(jù)公司鋼材規(guī)格，把耳板厚度增加到50mm，由公式（1）計(jì)算軸孔內(nèi)施加的壓強(qiáng)P3為92.48MP。

修改載荷為92.48MP，其他約束不變，再次提交Radios計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果顯示，耳板最大變形為0.1mm，最大應(yīng)力217MP，圖3為計(jì)算應(yīng)力云紋圖。

圖3最大應(yīng)力217MP

據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊，Q295B在板厚35～50時(shí)，材料強(qiáng)度 不小于255MP，耳板在最大載荷情況下應(yīng)力為217MP，所以50mm厚耳板強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全，符合工作要求。

4.結(jié)論

基于有限元耳板設(shè)計(jì)，能在設(shè)計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的校核設(shè)計(jì)強(qiáng)度，保證結(jié)構(gòu)的安全性；減少產(chǎn)品開發(fā)周期，為整個(gè)新產(chǎn)品開發(fā)節(jié)約成本。

參考文獻(xiàn)：

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[3]陳進(jìn)，龐曉平等.單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置關(guān)鍵技術(shù)研究[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

作者簡介：

苑春迎（1984年～）男，河南周口人，碩士，助理工程師，研究方向：工程機(jī)械結(jié)構(gòu)。

陸勇志（1985年～）男，廣西欽州人 碩士，助理工程師，研究方向：機(jī)電一體化。