挖掘機(jī)平臺(tái)有限元分析及回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真的研究

金璐 王曾赟

摘要：本文利用有限元法研究了挖掘機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和回轉(zhuǎn)液壓仿真系統(tǒng)，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)平臺(tái)；有限元；回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)

近幾年來，隨著我國技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓挖掘機(jī)得到了突飛猛進(jìn)式的發(fā)展。而由于社會(huì)與市場的發(fā)展，對(duì)于液壓挖掘機(jī)的需求量增多，人們對(duì)于液壓挖掘機(jī)的性能要求也有所提升。這就使得對(duì)于挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行研究與改進(jìn)成了相關(guān)技術(shù)人員的重要工作。有限元法是一種能夠分析挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方式，相比于傳統(tǒng)的研究方法更加簡單、耗時(shí)也相對(duì)較短。同時(shí)，回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)式挖掘機(jī)的重要結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行研究和改進(jìn)也有著重要的意義。

1 挖掘機(jī)平臺(tái)有限元分析

1.1 挖掘機(jī)平臺(tái)有限元的模型建立

利用三維軟件建立起挖掘機(jī)平臺(tái)的三維模型，然后將其倒入有限元分析的軟件系統(tǒng)中。挖掘機(jī)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以需要技術(shù)人員對(duì)于其結(jié)構(gòu)中包含的小倒角、小圓孔等等細(xì)微的結(jié)構(gòu)進(jìn)行掌握，保證其在挖掘機(jī)平臺(tái)模型的建立時(shí)不被忽略。

挖掘機(jī)平臺(tái)主要是用于承受上部的挖掘機(jī)重量以及挖掘機(jī)運(yùn)行時(shí)的挖掘力，在結(jié)構(gòu)上要求其具有較高的穩(wěn)定性、足夠的強(qiáng)度等等。在建立挖掘機(jī)平臺(tái)的三維模型時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際的情況，在不影響結(jié)果輸出的情況下對(duì)于力學(xué)建模進(jìn)行簡化。例如，在建立模型時(shí)，對(duì)于焊接的影響進(jìn)行忽略，在實(shí)際的建模中對(duì)于焊縫進(jìn)行定義連接接觸。

1.2 平臺(tái)上的荷載分析

挖掘機(jī)平臺(tái)在運(yùn)行的時(shí)候主要承受著來自兩個(gè)方向的力，依據(jù)挖掘機(jī)平臺(tái)在運(yùn)行時(shí)的兩種不同狀態(tài)，對(duì)于其荷載進(jìn)行分析。

第一，最大挖掘半徑及深度的工況分析。在這一條件下，挖掘機(jī)的鏟斗液壓缸會(huì)發(fā)揮出最大的挖掘力。在這一條件下，挖掘機(jī)的重心與動(dòng)臂絞點(diǎn)的水平距離為2.095m，重心到斗桿與動(dòng)臂的交點(diǎn)之間的距離為0.232m。在這一條件下，鏟斗油缸的最大壓力為26.5MPa，大腔直徑為0.09m，小腔直徑為0055m，抗壓時(shí)油缸最大的力為168586N。斗桿油缸的最大壓力為26.5MPa，大腔直徑為0.09m，小腔直徑為0.055m，抗拉是油缸最大的力為105626N，抗壓時(shí)油缸最大的力為168586N。動(dòng)臂油缸最大壓力為26.5MPa，大腔直徑為0.115m，小腔直徑為0.065m，抗拉是油缸最大的力為187317N，抗壓時(shí)油缸最大的力為275252N。

第二，挖掘機(jī)前傾失穩(wěn)的工況分析。在這一情況下，重心到斗桿與動(dòng)臂交點(diǎn)的距離為0.116m，重心到動(dòng)臂絞點(diǎn)的距離為2.547m，鏟斗油缸的作用力臂為0.256m，遙桿的作用力臂為0.349m，斗桿油缸的作用力臂為0.484m。經(jīng)過計(jì)算，能夠得出此時(shí)鏟斗油缸所產(chǎn)生的最大挖掘力為25485N，斗桿油缸承受的最大挖掘阻力為79516N，動(dòng)臂油缸承受的最大挖掘阻力為57123N。[1]

1.3 結(jié)果的分析

依照上述的平臺(tái)荷載分析中得出的數(shù)據(jù)，能夠計(jì)算出在工況一的條件下，應(yīng)力最大達(dá)到了908.8MPa，已經(jīng)超過了屈服強(qiáng)度的極限值，所以需要對(duì)挖掘機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有效的提升。根據(jù)有限元計(jì)算，挖掘機(jī)平臺(tái)的圓角半徑難以達(dá)到需要的150mm以上。在工況二的條件下，各處的應(yīng)力最大值已經(jīng)超過了閾值，所以對(duì)于挖掘機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)是十分必要的。

1.4 挖掘機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

通過上述的分析結(jié)果中能夠了解到，挖掘機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度還需要提升，各處承受的重力最大值還需要得到提升。可以將挖掘機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的調(diào)整，改變其傳統(tǒng)的應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力最大值的有效降低。同時(shí)，要結(jié)合提升挖掘機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，才能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。可以在挖掘機(jī)平臺(tái)的左右立板處添加加強(qiáng)板，使加強(qiáng)板維持在2022mm，并將耳板的厚度提升至25mm以上，實(shí)現(xiàn)對(duì)于挖掘機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提升的目的。

2 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)模型仿真分析

2.1 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

依據(jù)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的工作原理，在三維軟件上建立起回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的仿真模型。與建立挖掘機(jī)平臺(tái)的三維模型相同，回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真模型的建立也要對(duì)一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理。例如，柱塞泵是挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)中的一個(gè)元件，但是對(duì)其控制的方式與結(jié)果的輸出的影響較小，可以選擇使用某一統(tǒng)一的控制方式，諸如連續(xù)信號(hào)控制排量的方式，進(jìn)行系統(tǒng)模型的建立。多路閥的控制方式對(duì)于挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真模型的最終結(jié)果輸出影響也較低，可以隨意選擇一種控制方式應(yīng)用于回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的仿真分析中。

2.2 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果的分析

經(jīng)過分析，得出回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真模型的壓力峰值為194MPa，最大壓力波動(dòng)為11.1MPa。而試驗(yàn)的馬達(dá)進(jìn)出口壓力的峰值在19.1MPa，最大壓力波動(dòng)為11.1MPa。[2]不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下，壓力也會(huì)隨之改變，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析能夠得出，在制動(dòng)的過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的壓力波動(dòng)就越小。

2.3 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的優(yōu)化與改進(jìn)

由于回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)制動(dòng)的過程中，壓力波動(dòng)會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而改變，所以想要實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的優(yōu)化，就要針對(duì)這一問題進(jìn)行改進(jìn)?？梢酝ㄟ^并聯(lián)阻尼口的方式來實(shí)現(xiàn)壓力的穩(wěn)定。阻尼口的安裝工藝簡單，成本也相對(duì)較低，是一種性價(jià)比較高的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的優(yōu)化方式。阻尼口的并聯(lián)能夠使得馬達(dá)的開關(guān)隨著進(jìn)口壓力的改變而改變，在彈簧室的壓力油推動(dòng)著提升閥向右側(cè)移動(dòng)時(shí)，阻尼口就會(huì)被封閉，這樣就使得壓力油全部進(jìn)入回轉(zhuǎn)馬達(dá)中。而當(dāng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)停止運(yùn)行時(shí)，提升閥則會(huì)向左側(cè)移動(dòng)，使得壓力油在B口產(chǎn)生壓力。利用回轉(zhuǎn)裝置，能夠保證在這一狀態(tài)下兩個(gè)油口的流量保持平衡，有效避免了逆回轉(zhuǎn)的產(chǎn)生。

3 總結(jié)

綜上所述，挖掘機(jī)平臺(tái)有限元分析及回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真研究對(duì)于了解挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提升其性能有著重要的作用。本文利用有限元法分析了挖掘機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)以及回轉(zhuǎn)液壓仿真模型，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)提出了加大平臺(tái)強(qiáng)度、并聯(lián)阻尼口的優(yōu)化策略，為相關(guān)工作人員提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]張洋，張東杰，張聰聰，鄭華，孟啟星.液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)有限元分析[J].建筑機(jī)械，2014（05）：8184.

[2]陸軍坊.挖掘機(jī)平臺(tái)有限元分析及回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真[D].西南交通大學(xué)，2008.

作者簡介：金璐（1982），女，遼寧葫蘆島人，助教，教師，研究方向：機(jī)械工程。