小型挖掘機(jī)工作裝置仿真分析及輕量化設(shè)計(jì)

高 偉

（山西省數(shù)字化轉(zhuǎn)型促進(jìn)中心，山西 太原 030000）

引言

挖掘機(jī)的工作裝置包含動臂、斗桿和鏟斗，由于工作性質(zhì)的不同，動臂是受力最嚴(yán)重的部件。為了提高工作裝置的強(qiáng)度，需要在試制前通過靜力學(xué)仿真軟件對其強(qiáng)度進(jìn)行分析，以保證其工作時(shí)的可靠性[1]。

姜新甜等[2]利用三維建模軟件對挖掘機(jī)的動臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行參數(shù)化建模，利用骨架模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)建模的快速化，利用仿真軟件對完成參數(shù)化的模型進(jìn)行了挖掘力和挖掘范圍的動態(tài)模擬。曹源文等[3]對小型挖掘機(jī)的異形鏟斗進(jìn)行研究，通過自上而下的建模方法完成了多功能清理斗的參數(shù)化建模，并通過靜力學(xué)仿真軟件對鏟斗的強(qiáng)度進(jìn)行分析。曹蕾蕾等[4]通過實(shí)際測試工作裝置的受力及使用壽命建立了動臂、斗桿和鏟斗疲勞壽命的數(shù)學(xué)模型，并通過此模型對工作裝置的生產(chǎn)和使用進(jìn)行評估。

盛亞君等[5]通過仿真軟件對工作裝置中受力最嚴(yán)重的部件進(jìn)行分析，通過將仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，得出了動臂的疲勞壽命模型。田子合等[6]通過SolidWorks 建立了動臂的仿真模型，完成多層次的網(wǎng)格模型后對其進(jìn)行數(shù)值模擬，完成靜力學(xué)分析后又通過MATLAB 軟件的擬合功能實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)工作裝置的輕量化設(shè)計(jì)，既節(jié)省了生產(chǎn)成本，又保證了其可靠性在合理范圍內(nèi)。

1 三維建模及邊界條件設(shè)置

挖掘機(jī)工作裝置的制造成本主要由材料成本費(fèi)和工費(fèi)兩部分組成，材料成本費(fèi)主要與原材料價(jià)格和工作裝置的重量有關(guān)，工費(fèi)主要與人工成本和工作裝置的焊接及機(jī)加工工藝有關(guān)[7-10]。本研究從動臂、斗桿和鏟斗的重量為降本點(diǎn)，在保證其強(qiáng)度可控的條件下，通過輕量化降低其制造成本。本研究先建立工作裝置的三維模型，然后通過仿真找出其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變效果，接著對其進(jìn)行輕量化處理，最后通過仿真對輕量化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。本次的輕量化目標(biāo)是在許用應(yīng)力允許的范圍內(nèi)整體質(zhì)量減少15%～20%。

通過PROE 三維建模軟件建立小型挖掘機(jī)動臂、斗桿和鏟斗的三維模型，為方便后期的整改和優(yōu)化，引入自上而下和骨架建模技術(shù)，先在系統(tǒng)中完成建模位置的空間平面設(shè)置，然后建立工作裝置的骨架，最后通過骨架完成動臂、斗桿和鏟斗的三維建模。

將三維模型建立后導(dǎo)出通用格式傳入網(wǎng)格劃分軟件ICEMCFD 中，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前先對模型進(jìn)行前處理，即將動臂、斗桿和鏟斗上的小件去掉，然后將焊接用的坡口填平，最后將無關(guān)的小圓孔、螺紋孔、圓角和倒角去掉，因?yàn)檫@些部位對仿真的結(jié)果影響很小，但是在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)卻很復(fù)雜，所以要在網(wǎng)格劃分前去掉這些部分。這樣做，一方面不會影響網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，另一方面能大幅提高網(wǎng)格劃分的效率，減少網(wǎng)格劃分的時(shí)間。

通過多層次網(wǎng)格劃分，利用四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格對其進(jìn)行劃分，尺寸較小的部位還需進(jìn)行局部加密，優(yōu)化網(wǎng)格的質(zhì)量，以保證仿真結(jié)果的可靠性。將完成網(wǎng)格劃分的小型挖掘機(jī)動臂、斗桿和鏟斗的三維仿真網(wǎng)格模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 中進(jìn)行數(shù)值模擬。

在軟件中先檢查網(wǎng)格的完整性和質(zhì)量，然后設(shè)置模型的單位，進(jìn)行仿真的邊界條件設(shè)置模型，選取仿真所用的數(shù)學(xué)模型，設(shè)置多個載荷的方向和大小、約束方向、數(shù)值模擬的迭代步數(shù)，最后定義收斂的精度為0.001，此時(shí)就可進(jìn)行挖掘機(jī)工作裝置的靜力學(xué)分析。設(shè)置仿真的邊界條件時(shí)，先通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算出3 種典型姿態(tài)下的挖掘力，這3 種姿態(tài)分別對應(yīng)挖掘機(jī)的最大挖掘半徑姿態(tài)、最大挖掘深度姿態(tài)、3 個油缸的最大作用力臂姿態(tài)，實(shí)際施工過程中挖掘機(jī)在這3 個姿態(tài)下最易出現(xiàn)問題，因此對這3 個姿態(tài)進(jìn)行分析。

如圖1 所示，輸入挖掘力，并將挖掘力平均分布在鏟斗斗齒的切線方向，將動臂油缸設(shè)置為閉鎖約束，在下車部位施加一個重力加速度，模擬整機(jī)的操作重力，最后將位移約束施加到整機(jī)的下車部位。挖掘力分為動臂油缸閉鎖狀態(tài)下產(chǎn)生的合力、斗桿油缸閉鎖狀態(tài)下產(chǎn)生的合力、鏟斗油缸主動伸出時(shí)產(chǎn)生的合力，整機(jī)挖掘力的數(shù)值取三者中的最小值。

圖1 小型挖掘機(jī)動臂、斗桿和鏟斗的仿真模型載荷及約束圖

2 工作裝置靜力學(xué)仿真分析

小型挖掘機(jī)的動臂通過單個的動臂油缸驅(qū)動其轉(zhuǎn)動，斗桿則通過安裝在動臂和斗桿耳板上的斗桿油缸驅(qū)動其運(yùn)動，鏟斗則利用鏟斗油缸通過帶動搖桿和連桿運(yùn)動進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鏟斗的收放。為了模擬動臂、斗桿和鏟斗的受力情況，本研究選取挖掘機(jī)工作時(shí)的3 種受力較大的姿態(tài)進(jìn)行靜力學(xué)分析。

圖2-1 中，鏟斗的斗齒部位、搖桿及連桿的鉸接點(diǎn)處、鏟斗油缸安裝座、斗桿油缸安裝座、動臂油缸安裝座、動臂與轉(zhuǎn)臺連接處以及動臂折彎處受力較為嚴(yán)重，其中動臂折彎處受力最為嚴(yán)重，最大等效應(yīng)力達(dá)到了211.411 MPa。動臂是整個工作裝置中受力最為嚴(yán)重的部件，實(shí)際工作時(shí)極易發(fā)生開裂，因此，動臂折彎處要進(jìn)行局部增強(qiáng)。圖2-2 中，鏟斗的斗齒部位、動臂折彎處、動臂與轉(zhuǎn)臺連接處受力最為嚴(yán)重，最大等效應(yīng)力達(dá)到了209.772 MPa。圖2-3 中，鏟斗的斗齒部位、鏟斗油缸安裝座、斗桿油缸安裝座、動臂折彎處受力較為嚴(yán)重，最大等效應(yīng)力達(dá)到了316.431 MPa。

圖2 工作裝置3 種不同姿態(tài)的受力（MPa）云圖

3 種姿態(tài)中，鏟斗的斗齒部位、動臂折彎處這兩處是共同的受力較為嚴(yán)重的區(qū)域，鏟斗的斗齒部位主要受摩擦阻力，在設(shè)計(jì)時(shí)會在斗齒處增加護(hù)套，以提高其抗磨性。而動臂折彎處主要是克服彎曲應(yīng)力，在設(shè)計(jì)時(shí)此處需增大焊腳尺寸，實(shí)際加工時(shí)要通過激光探傷儀確保焊絲全熔透，并在焊接完成后去除殘余應(yīng)力。3 種姿態(tài)中，姿態(tài)三的受力最嚴(yán)重，其最大等效應(yīng)力比姿態(tài)二升高49.68%，比姿態(tài)一升高50.85%。因此，本研究選用姿態(tài)三進(jìn)行輕量化模擬。

3 導(dǎo)重法及輕量化

導(dǎo)重法是機(jī)械領(lǐng)域新興的一種輕量化方案，其優(yōu)點(diǎn)是模擬迭代次數(shù)少、計(jì)算效率高、可短時(shí)間內(nèi)模擬出結(jié)果。導(dǎo)重法利用敏度對工作裝置中動臂、斗桿和鏟斗的幾個關(guān)鍵部件按照正比分配的原則進(jìn)行輕量化處理，而敏度的數(shù)值可由ANSYS 軟件中的優(yōu)化工具箱得出。

將姿態(tài)三的仿真模型導(dǎo)入仿真軟件ANSYS 中進(jìn)行數(shù)值模擬，圖3 為工作裝置總質(zhì)量隨迭代次數(shù)的變化趨勢，從圖3 中可以看出，前5 次迭代過程中，隨迭代次數(shù)的增加，工作裝置的總質(zhì)量逐漸下降，但是下降的趨勢在減緩；當(dāng)?shù)降? 次時(shí)，工作裝置的總質(zhì)量反而上升，說明此時(shí)的輕量化數(shù)值模擬結(jié)果達(dá)到了收斂狀態(tài)。

圖3 工作裝置總質(zhì)量隨迭代次數(shù)的變化趨勢

仿真完成后導(dǎo)出各部件的質(zhì)量后進(jìn)行取整優(yōu)化，最終動臂的質(zhì)量由479 kg 輕量化至386 kg，輕量化率為19.42%；工作裝置的總質(zhì)量由839 kg 輕量化至660 kg，輕量化率達(dá)到了21.33%。

為了驗(yàn)證優(yōu)化后輕量化方案的可靠性，將優(yōu)化后的動臂、斗桿和鏟斗按照原來的方法進(jìn)行三維建模、網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬，完成靜力學(xué)分析后的工作裝置受力云圖如下頁圖4 所示。通過工作裝置所用的材料、安全系數(shù)計(jì)算出工作裝置的最大許用應(yīng)力為345 MPa，而輕量化后動臂的最大等效應(yīng)力為281.409 MPa、斗桿的最大等效應(yīng)力為333.028 MPa、鏟斗的最大等效應(yīng)力為341.785 MPa，最大等效應(yīng)力發(fā)生在鏟斗部位。工作裝置的最大等效應(yīng)力雖然由原來的316.431 MPa 增大為341.785 MPa，但是整體仍然在許用應(yīng)力345 MPa 的安全范圍內(nèi)。因此，本次工作裝置的輕量化達(dá)到了減重15%～20%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 工作裝置不同部位優(yōu)化后受力（MPa）云圖

4 結(jié)語

為降低挖掘機(jī)動臂、斗桿和鏟斗的制造成本，本研究以6 t 小型挖掘機(jī)為研究對象，先通過靜力學(xué)分析軟件模擬出挖掘機(jī)工作裝置在3 種不同姿態(tài)下的受力情況，然后利用導(dǎo)重法對受力最大的姿態(tài)進(jìn)行輕量化擬合，最后再對優(yōu)化后的工作裝置進(jìn)行數(shù)值模擬，以驗(yàn)證其強(qiáng)度。研究結(jié)果表明：在許用應(yīng)力允許的范圍內(nèi)，通過導(dǎo)重法將動臂整體輕量化19.42%，工作裝置整體輕量化21.33%，達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)目標(biāo)。