液壓挖掘機(jī)工作裝置整體有限元分析

盛亞君,李申,李欣,裴朋超,任雪嬌

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064)

液壓挖掘機(jī)工作裝置整體有限元分析

盛亞君,李申,李欣,裴朋超,任雪嬌

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064)

以某型挖掘機(jī)的工作裝置整體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)挖掘機(jī)工作裝置整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，采用接觸分析法模擬銷軸鉸接處，對(duì)挖掘機(jī)典型工況下的強(qiáng)度、變形進(jìn)行非線性計(jì)算，得出工作裝置整體的應(yīng)力云圖、位移云圖。分析結(jié)果表明：基于工作裝置整體的有限元計(jì)算方法能極大地降低因構(gòu)件簡(jiǎn)化帶來的計(jì)算誤差，減小連接處應(yīng)力集中的影響，對(duì)工作裝置的優(yōu)化具有指導(dǎo)意義，也可為后期的試驗(yàn)測(cè)試、應(yīng)變片位置的選取提供參考。

液壓挖掘機(jī);工作裝置;實(shí)體模型;有限元分析

挖掘機(jī)的工作裝置是挖掘機(jī)的直接受力結(jié)構(gòu)，其各方面的性能對(duì)挖掘機(jī)整機(jī)的工作性能、可靠性等方面有重要影響[1]。由于動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等部件都是不規(guī)則的箱型焊接結(jié)構(gòu)，相對(duì)于其他方法，有限元法比較容易計(jì)算結(jié)構(gòu)任意一點(diǎn)處的應(yīng)力、變形等[2]。長(zhǎng)期以來，大多數(shù)研究都是對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置的關(guān)鍵構(gòu)件，如動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等進(jìn)行有限元分析，包括對(duì)各構(gòu)件之間銷軸處的連接進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、模態(tài)分析等，且大多以板殼(shell)單元建立模型，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況往往有較大偏差，特別是銷軸處、鉸接孔處應(yīng)力集中較顯著。本文從整體集成的角度，以某工作質(zhì)量為21.5 t的反鏟液壓挖掘機(jī)的工作裝置和回轉(zhuǎn)平臺(tái)為研究對(duì)象，建立挖掘機(jī)工作裝置集成的實(shí)體有限元三維模型,并進(jìn)行分析。

1 建模

1.1 液壓挖掘機(jī)典型工況

由于挖掘機(jī)的工作裝置作業(yè)速度較低，所以經(jīng)常采用靜強(qiáng)度法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，找出最大應(yīng)力或最危險(xiǎn)載荷。根據(jù)文獻(xiàn)[3-5]將挖掘機(jī)工作狀態(tài)分為7種典型的工況。

1)姿態(tài)1。動(dòng)臂油缸全縮，動(dòng)臂處于最低位置，斗齒尖處于最大挖掘深度位置。該姿態(tài)下，受到重力、側(cè)向力、切向力等作用，各構(gòu)件受力較大。

2)姿態(tài)2。動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸均處于最大作用力臂位置。斗桿與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)、鏟斗和斗桿的鉸點(diǎn)、斗齒尖3點(diǎn)共線,動(dòng)臂和斗桿均受到較大的作用力。該姿態(tài)下可以校驗(yàn)動(dòng)臂和斗桿是否滿足強(qiáng)度要求。

3)姿態(tài)3。液壓缸均處于最大作用力臂的位置。整機(jī)的理論挖掘力處于最大值，且動(dòng)臂和斗桿受力較大。

4)姿態(tài)4。動(dòng)臂液壓缸全縮，斗桿液壓缸作用力臂最大。該工況下，動(dòng)臂和斗桿受到較大力矩作用，結(jié)構(gòu)易發(fā)生失效。

5)姿態(tài)5。動(dòng)臂油缸全縮，動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)和鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)的連線垂直于地面，鏟斗位于發(fā)揮最大挖掘力的位置，動(dòng)臂受力較大。該姿態(tài)下可以校驗(yàn)動(dòng)臂的變形和強(qiáng)度要求。

6)姿態(tài)6。動(dòng)臂油缸全伸，斗桿油缸全縮，鏟斗向下且垂直于停機(jī)面，工作高度處于最大卸載高度，工作裝置只受重力作用。

7)姿態(tài)7。斗桿油缸全縮，動(dòng)臂與回轉(zhuǎn)中心的鉸點(diǎn)、鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)、斗齒尖3點(diǎn)共線,且斗齒尖位于停機(jī)面上,挖掘機(jī)受到較大的沖擊力。該工況下需對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度分析和動(dòng)力學(xué)分析以計(jì)算其受力和沖擊。

1.2 建立有限元模型

該模型整體是由工作裝置的動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、搖臂、連桿、油缸以及回轉(zhuǎn)平臺(tái)組成[6-9]，它們是挖掘機(jī)的直接受力結(jié)構(gòu)。依據(jù)某液壓挖掘機(jī)的CAD圖，將其保存成IGES格式，導(dǎo)入ANSYS，在ANSYS建立各構(gòu)件的三維實(shí)體模型，建模過程中，在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，為減少有限元計(jì)算量，去掉了螺紋孔、倒角、運(yùn)輸?shù)醵?。?dòng)臂、斗桿、鏟斗等焊接處均按連續(xù)處理，其材料均按與母材相同處理[10-13]。采用三維實(shí)體solid186單元模擬各構(gòu)件以及連接處的銷軸，油缸采用梁?jiǎn)卧猙eam188模擬，通過設(shè)置截面面積、彈性模量、密度等參數(shù)模擬實(shí)際液壓油缸[14-17]，銷軸處采用映射(sweep)劃分，其余網(wǎng)格采取自由劃分(free)的方法。

1.3 鉸接處理及添加約束與載荷

挖掘機(jī)工作裝置各構(gòu)件通過銷軸相連，從而傳遞力和運(yùn)動(dòng)。整體分析時(shí)，對(duì)鉸接處采用接觸分析法，該方法是一種大變形非線性分析，能更好模擬運(yùn)動(dòng)中構(gòu)件間的變形以及相互間的力和位移[18]，與耦合自由度法相比能很好的削弱鉸接點(diǎn)附件的應(yīng)力集中。液壓油缸與軸之間采用直接固結(jié)法(rigid region)模擬，約束UAYZ方向上的自由度即可[19-21]。

根據(jù)實(shí)際工況對(duì)模型的某些節(jié)點(diǎn)添加約束及載荷。添加約束時(shí)將回轉(zhuǎn)平臺(tái)看成是固定結(jié)構(gòu)，載荷加在鏟斗斗齒的節(jié)點(diǎn)上。

2 試驗(yàn)

不同工況下，挖掘機(jī)工作裝置所受載荷不同，因此，有限元分析結(jié)果有區(qū)別，本文主要對(duì)7種不同工況時(shí)工作裝置的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。

2.1 強(qiáng)度分析

以工況3為例，對(duì)工作裝置進(jìn)行強(qiáng)度分析。該姿態(tài)下，整體模型共有1 221 056個(gè)實(shí)體單元，530個(gè)梁?jiǎn)卧?8個(gè)接觸單元2 247 356個(gè)節(jié)點(diǎn)。工作裝置主要承受重力和挖掘機(jī)的作用。液壓缸均處于最大作用力臂的位置，且理論挖掘力處于最大。其有限元模型如圖1所示，圖2為工作裝置整體的應(yīng)力云圖(圖2中單位為MPa)。

圖1 姿態(tài)3下工作裝置整體有限元模型 圖2 工作裝置整體應(yīng)力云圖

從工作裝置整體應(yīng)力云圖中提取出動(dòng)臂和斗桿進(jìn)行單獨(dú)分析，如圖3、4所示(圖中單位為MPa)?？傻玫絼?dòng)臂的最大應(yīng)力為294 MPa，發(fā)生在耳板和動(dòng)臂的焊接處，斗桿最大應(yīng)力為315 MPa，在斗桿油缸與斗桿連接的鉸孔所在板邊緣處。由圖4可知，動(dòng)臂的較大應(yīng)力主要分布在箱內(nèi)加強(qiáng)筋與上板的焊縫處、下翼緣板兩側(cè)的焊縫處以及下翼緣板與腹板的焊縫處。斗桿的較大應(yīng)力主要分布在鏟斗油缸支座附近、上板前位置以及下翼緣板處,該姿態(tài)下斗桿上的應(yīng)力較動(dòng)臂大。

a)動(dòng)臂 b)斗桿圖3 姿態(tài)3下應(yīng)力云圖

a)動(dòng)臂 b)斗桿圖4 姿態(tài)3下應(yīng)力較大處的云圖

圖5為其余各姿態(tài)下斗桿應(yīng)力的應(yīng)力云圖(圖中單位為MPa)，比較可知，姿態(tài)3下斗桿應(yīng)力最大。。

圖5 各姿態(tài)下斗桿的應(yīng)力云圖

2.2 變形分析

挖掘機(jī)在不同的作業(yè)介質(zhì)下工作，受到的挖掘力不同，當(dāng)受到側(cè)向載荷作用時(shí)，工作裝置會(huì)發(fā)生變形。工作裝置受力情況有3種：切向力和自身重力載荷；側(cè)向力和自身載荷；切向力、側(cè)向力和自身載荷綜合作用。工作裝置在切向力、側(cè)向力和自身載荷作用時(shí)，在偏載情況下，工作裝置整體變形情況如圖6所示(圖中單位為mm)。

圖6 工作裝置整體的變形分布

以姿態(tài)2為例，對(duì)工作裝置進(jìn)行整體變形分析。由圖6可知，最大變形發(fā)生在鏟斗處，為90.83 mm。從圖6的整體變形中取出動(dòng)臂和斗桿分析，可得到動(dòng)臂和斗桿的最大變形量和位置，如圖7、8所示(圖中單位為mm)，動(dòng)臂的最大變形量發(fā)生在動(dòng)臂與斗桿連接的兩側(cè)板上，為34.04 mm。斗桿的最大變形量為67.18 mm，發(fā)生在動(dòng)臂與鏟斗鉸接孔處。

圖7 動(dòng)臂的變形分布 圖8 斗桿的變形分布

3 結(jié)果分件

1)多數(shù)情況下，除了特殊的局部如斗齒處應(yīng)力集中，工作裝置整體的應(yīng)力都不是很大，均在160 MPa以內(nèi)。在7種工況中姿態(tài)3的工作裝置各構(gòu)件受力較大。

2)前4種姿態(tài)下，工作裝置受力較大，姿態(tài)3時(shí)，除去斗齒處的應(yīng)力集中，動(dòng)臂的最大應(yīng)力為294 MPa，發(fā)生在耳板和動(dòng)臂的焊接處，斗桿的最大應(yīng)力為415 MPa，在斗桿油缸與斗桿連接的鉸孔所在板邊緣處。同樣在偏載作用下，姿態(tài)3時(shí)，工作裝置受力最大，其中斗桿應(yīng)力最大，發(fā)生在斗桿與動(dòng)臂連接的鉸接孔處，動(dòng)臂的應(yīng)力也較大，發(fā)生的位置沒有改變，即在耳板和動(dòng)臂的焊接處。

3)姿態(tài)3時(shí)，動(dòng)臂與斗桿鉸接處動(dòng)臂兩側(cè)板的變形為34.58 mm；斗桿與鏟斗鉸接孔處板的變形為78.67 mm。姿態(tài)5時(shí)，斗桿與鏟斗鉸接孔處發(fā)生最大變形為104.89 mm。

4 結(jié)語

實(shí)體工作裝置集成有限元分析的目的，是在盡量減小因簡(jiǎn)化而造成的誤差的前提下，能更精確的模擬挖掘機(jī)在不同工況下工作時(shí)的受力情況以及對(duì)各部件受力情況進(jìn)行分析。根據(jù)有限元分析結(jié)果確定挖掘機(jī)工作裝置各構(gòu)件的危險(xiǎn)面發(fā)生的位置、銷軸鉸接處的應(yīng)力分布等，不僅為后期室內(nèi)疲勞試驗(yàn)的加載提供有力的理論依據(jù)，還為挖掘機(jī)工作裝置同類共性問題提供具有參考價(jià)值的分析方法。

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(責(zé)任編輯：郭守真)

Finite Element Analysis on Whole Working Device of Hydraulic Excavator

SHENGYajun，LIShen，LIXin，PEIPengchao，RENXuejiao

(KeyLaboratoryforHighwayConstructionTechnologyandEquipmentofMinistryofEducation，Chang′anUniversity，Xi′an710064，China)

Take the overall structure of an excavator working device as the research subject. The large-scale finite element analysis software ANSYS is used to set up a solid model of the overall structure of the working device.The contact analysis method is adopted to simulate the pin hinges.The nonlinear strength and deformation under the typical conditions are calculated to obtain the stress and displacement nephograms of the whole working device. The analytical results show that the finite element method based on the entire apparatus greatly reduces the computational error due to the component simplification and have little influence on stress concentration at the connection. Therefore, this method has the guiding significance for the optimization of working device and also provides a reference for the subsequent pilot test and the selection of strain gauge locations.

hydraulic excavator; working device; solid model; finite element analysis

2016-08-03

盛亞君(1991—),女,河南商丘人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E-mail：1933277511@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.012

TU623

A

1672-0032(2017)01-0070-06