挖掘機(jī)動臂有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

易廣建

（沈陽理工大學(xué)，沈陽 110159）

建筑行業(yè)的發(fā)展帶動了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速推進(jìn)，這就對工程機(jī)械生產(chǎn)提出了更高的要求，需要速度更快、效率更高的施工作業(yè)機(jī)械來滿足工程作業(yè)要求。有數(shù)據(jù)表明，國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)施工過程中有60%以上的工作需要挖掘機(jī)來完成，因此近幾年，挖掘機(jī)的銷量激增，但國內(nèi)企業(yè)的市場占有率始終偏低，因此尋找更好的技術(shù)手段提升企業(yè)的市場占有率，成為國內(nèi)挖掘機(jī)企業(yè)的追求目標(biāo)。

1 挖掘機(jī)市場應(yīng)用和技術(shù)現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代后期，中國開始進(jìn)行挖掘機(jī)技術(shù)的研究，90年代我國挖掘機(jī)開始進(jìn)入快速發(fā)展時期，2000年后又實(shí)現(xiàn)了一個質(zhì)的飛躍，10年時間產(chǎn)量翻了將近4倍，這主要?dú)w功于南水北調(diào)、高速公路建設(shè)、西氣東送等國家建設(shè)工程的順利施工。雖然我國的挖掘機(jī)行業(yè)發(fā)展較為迅速，但國內(nèi)企業(yè)的市場占有率偏低，遠(yuǎn)低于合資企業(yè)的市場占有率，這是由于國內(nèi)的部分挖掘機(jī)企業(yè)進(jìn)入市場較晚，技術(shù)研發(fā)水平遠(yuǎn)低于國外的技術(shù)水平。另外，大多數(shù)挖掘機(jī)企業(yè)是在生產(chǎn)裝載機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行挖掘機(jī)的生產(chǎn)，導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)遠(yuǎn)落后于國外企業(yè)，很難避免斗桿、動臂斷裂或開裂問題的出現(xiàn)，這在一定程度上制約了國內(nèi)挖掘機(jī)企業(yè)市場占有率的提升。因此，從生產(chǎn)技術(shù)手段入手，提升挖掘機(jī)動臂等機(jī)械關(guān)鍵點(diǎn)的技術(shù)水平，可以有效地促進(jìn)國內(nèi)企業(yè)市場占有率的提升。

2 現(xiàn)有動臂存在的技術(shù)問題

2.1 復(fù)雜作業(yè)環(huán)境導(dǎo)致的挖掘機(jī)動臂問題

挖掘機(jī)是一種長期處于較為惡劣的工作環(huán)境的作業(yè)機(jī)械，不僅要承受較大強(qiáng)度的挖掘載荷，還要承受溝坡導(dǎo)致的側(cè)向載荷，這就要增強(qiáng)其受力部件的抗壓、抗扭能力。另外，部分特定挖掘機(jī)通常裝有碎石所用的振動破碎頭，用于破碎爆破后裝運(yùn)碎石期間出現(xiàn)的較大石塊，長期使用會出現(xiàn)動臂因承受較大的振動疲勞而受損。

2.2 挖掘機(jī)作業(yè)過程中動臂的失效形式

現(xiàn)有用于溝坡作業(yè)或碎石的挖掘機(jī)，其受力部件同時承受挖掘機(jī)工作時內(nèi)應(yīng)力加大和卸載時內(nèi)應(yīng)力變小而導(dǎo)致的交變載荷，長期受交變載荷影響的挖掘機(jī)其應(yīng)力受力部件（結(jié)構(gòu)截面和交叉焊接處）很容易出現(xiàn)裂紋，存在較大的安全隱患。

3 動臂基于有限元的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 相關(guān)參數(shù)模型的建立

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，通過對產(chǎn)品性能的深入了解，建立合理、有效的有限元模型，可以提高產(chǎn)品的性能和優(yōu)化分析效果。優(yōu)化分析的過程中，如果就不同設(shè)計(jì)點(diǎn)分別建立幾何模型，會大大增加工作強(qiáng)度，因此需要在有限元技術(shù)的基礎(chǔ)上采用參數(shù)化模型建模方法加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，通過板材厚度、不同載荷條件下使用情況、基礎(chǔ)參數(shù)（長、寬、高）等結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取，使得模型可按照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖隨時修改。參數(shù)模型的建立可通過CAD軟件或編寫腳本建立參數(shù)化模型，再利用有限元軟件進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化分析。

3.2 有限元技術(shù)的優(yōu)化分析

有限元法的思想最早出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代初，直至六七十年代有限元理論和技術(shù)才開始趨于成熟，并陸續(xù)衍生出許多商業(yè)化有限元分析軟件。近幾年，CAD技術(shù)、參數(shù)模型建立技術(shù)、有限元技術(shù)發(fā)展迅速，但有限元技術(shù)在我國的起步較晚，偏于力學(xué)領(lǐng)域，對挖掘機(jī)這種較為復(fù)雜的作業(yè)機(jī)械分析和優(yōu)化起來還存在一定的局限性。因此，需要將ANsYs等軟件作為輔助平臺，利用有限元技術(shù)促進(jìn)動臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)。

為了更好地滿足客戶需求，可結(jié)合產(chǎn)品使用周期中不同階段的性能需求，實(shí)現(xiàn)一個循環(huán)的性能驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的最合理設(shè)計(jì)。有限元技術(shù)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是由于其能在已有參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品各部分初始參數(shù)的不合理性或相關(guān)約束機(jī)制，其約束機(jī)制、設(shè)計(jì)變量均按照產(chǎn)品的性能制定，并通過產(chǎn)品約束機(jī)制和結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取及時調(diào)整組織結(jié)構(gòu)，利用反驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化。

3.3 挖掘機(jī)動臂基于有限元的性能優(yōu)化分析

挖掘機(jī)動臂需要進(jìn)行性能優(yōu)化分析的部分即為挖掘機(jī)作業(yè)過程中承受較大外載荷的，由動臂、鏟斗及連桿組成的工作裝置，其性能的優(yōu)劣直接決定挖掘機(jī)的工作性能。為適應(yīng)有限元優(yōu)化分析對模型簡化的要求，優(yōu)化分析過程中省略影響較小的螺紋孔等特征，以動臂油缸、側(cè)板等作為優(yōu)化分析對象。首先要進(jìn)行動臂的強(qiáng)度分析，不同工況條件下挖掘機(jī)力臂承受載荷的著力點(diǎn)不同，導(dǎo)致應(yīng)力的危險(xiǎn)截面位置和應(yīng)力著力位點(diǎn)也不同，因此在采用有限元進(jìn)行載荷和約束設(shè)計(jì)時要具體分析。比如，在研究最大力臂作用位置的工況時，可將加載方式轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^銷軸傳遞載荷，并選擇受力的內(nèi)圓柱面和受力方向（只沿徑向）來實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)動臂的優(yōu)化。

利用有限元技術(shù)實(shí)現(xiàn)動臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即找到強(qiáng)度足夠符合挖掘機(jī)作業(yè)要求、能夠節(jié)省材料的最佳方案?？筛鶕?jù)客戶對動臂性能的要求，利用ANsYs軟件輔助有限元技術(shù)對參數(shù)模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化分析，并根據(jù)優(yōu)化分析的結(jié)果對動臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如，優(yōu)化分析結(jié)果表明，動臂的寬度對應(yīng)力影響不大，但為了節(jié)省材料，可將其寬度減少20%；為滿足動臂對強(qiáng)度的要求，可將動臂銷軸的直徑增大20mm；為減小應(yīng)力對動臂的集中影響，可將耳板厚度（與斗板相接）增加5mm，優(yōu)化后動力臂如圖1所示。優(yōu)化完成后，可再次對挖掘機(jī)動臂的強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，優(yōu)化后的應(yīng)力值為16.1MPa，明顯降低且均勻分布在耳板部分，但仍在作業(yè)的安全范圍內(nèi)。這樣既能有效地減少動臂材料的耗損，又能降低危險(xiǎn)截面的應(yīng)力大小，實(shí)現(xiàn)動臂的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 優(yōu)化后動力臂

4 結(jié)論

利用有限元技術(shù)對挖掘機(jī)動臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅能縮短優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程、降低材料的損耗，還能有效地減輕挖掘機(jī)的重量、降低產(chǎn)品生產(chǎn)商制造成本的損耗，在符合實(shí)際工況的基礎(chǔ)上滿足客戶對挖掘機(jī)性能的個性化需求，有效地保證了產(chǎn)品的安全性和可靠性，提高了產(chǎn)品的使用壽命。另外，有限元技術(shù)的有效應(yīng)用還可以推動國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的提升，從而獲得更多質(zhì)量優(yōu)異的挖掘機(jī)產(chǎn)品，進(jìn)一步提升國內(nèi)企業(yè)的市場占有率。