大型挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)臂結(jié)構(gòu)有限元仿真分析*

劉 旋，萬(wàn)一品，周宇杰，梁艷彬，賈 潔

(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)

0 引 言

液壓挖掘機(jī)是功能最典型、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、用途最廣泛的工程機(jī)械之一[1]。動(dòng)臂是挖掘機(jī)工作裝置的主要部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)挖掘機(jī)的挖掘效率及可靠性有著重要影響。

目前，國(guó)內(nèi)研究人員在動(dòng)臂設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了一定程度上的深入研究，使得挖掘機(jī)工作效率得以提高。文獻(xiàn)[2],[3]對(duì)工作裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高工作效率。曹蕾蕾等[4]以疲勞試驗(yàn)與仿真分析為手段，得到動(dòng)臂危險(xiǎn)位置與疲勞壽命。萬(wàn)一品等[5]分析了裝載機(jī)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)力學(xué)，進(jìn)行了拓?fù)錅p重優(yōu)化。王健等[6]在反鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置輕量化設(shè)計(jì)方面取得了一定成果，經(jīng)測(cè)試證明設(shè)計(jì)有效降低了生產(chǎn)成本。

因此，液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)是否合理、強(qiáng)度是否滿足作業(yè)工況是挖掘機(jī)設(shè)計(jì)所需考慮的重點(diǎn)。筆者對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂典型工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，以結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕為目標(biāo)，對(duì)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 挖掘機(jī)動(dòng)臂模型

液壓挖掘機(jī)工作裝置是由板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，主要由動(dòng)臂、斗桿、銷軸、液壓油缸和鏟斗等部件構(gòu)成。本設(shè)計(jì)以最大輸出扭矩為1 898 N·m的發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力來(lái)源，根據(jù)挖掘機(jī)設(shè)計(jì)流程逆行推算，結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)中挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，獲得各部件結(jié)構(gòu)尺寸。分析部件模型，去除與結(jié)構(gòu)受力無(wú)關(guān)的倒角、圓孔等尺寸特征，在SolidWorks中建立動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，如圖1所示。

圖1 挖掘機(jī)動(dòng)臂三維模型

2 典型工況分析

根據(jù)GB/T 9141-88《液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法》的規(guī)定，選擇挖掘機(jī)兩種工作狀況進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證動(dòng)臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性，挖掘機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2所示。

圖2 挖掘機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

挖掘機(jī)動(dòng)臂鉸接點(diǎn)B、C在工作時(shí)只起到支撐作用，在分析時(shí)不予考慮，只需對(duì)鉸接點(diǎn)D、E在不同工況下進(jìn)行加載分析。動(dòng)臂結(jié)構(gòu)受力示意圖如圖3所示。

圖3 動(dòng)臂受力示意圖

確定挖掘機(jī)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)受力的兩種典型工況如下。

工況一：挖掘機(jī)斗桿抬起，油缸L2收縮，對(duì)鉸點(diǎn)D、F起到拉作用力，且鉸點(diǎn)E起一定的支撐作用。

工況二：鏟斗進(jìn)行挖掘的工況下，油缸L2、L3伸長(zhǎng)，使斗桿鏟斗端向內(nèi)回縮，鏟斗開始挖掘工作。

3 有限元仿真及結(jié)果分析

根據(jù)挖掘機(jī)整機(jī)重量及尺寸等參數(shù)，求得各載荷大小，如表1所列。動(dòng)臂材料為Q235，彈性模量210 GPa，泊松比0.274。

表1 不同工況鉸接點(diǎn)作用力大小 /kN

對(duì)動(dòng)臂模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，得到動(dòng)臂主體結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)絡(luò)模型，如圖4所示，共有250 004個(gè)節(jié)點(diǎn)，153 527個(gè)單元。在鉸接孔B、C添加位置約束，鉸接位置D、E施加載荷，得到變形及應(yīng)力云圖如圖5、6所示。

圖4 動(dòng)臂網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖

圖5 工況一有限元分析結(jié)果

圖6 工況二有限元分析結(jié)果

分析變形圖和應(yīng)力云圖，可以得到兩種工況下動(dòng)臂的變形情況以及應(yīng)力分布狀況，如表2、3所列。

表2 兩種工況下動(dòng)臂變形情況表

表3 兩種工況下動(dòng)臂應(yīng)力狀況表

雖然動(dòng)臂受力產(chǎn)生的應(yīng)力值低于材料屈服強(qiáng)度，但在動(dòng)臂耳板和動(dòng)臂中部位置處都有較大的應(yīng)力值，特別是耳板孔和鉸接點(diǎn)C凸臺(tái)底部應(yīng)力集中最大，且鉸接位置E處變形較大。為了降低應(yīng)力極限點(diǎn)處的應(yīng)力大小，可在耳板、動(dòng)臂端部和尾部處增設(shè)凸臺(tái)，并調(diào)整動(dòng)臂應(yīng)力較大位置區(qū)域板厚，來(lái)改善動(dòng)臂整體結(jié)構(gòu)受力狀況。

4 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述分析可以得出結(jié)論，動(dòng)臂主體在典型工況下的變形較大，但部分區(qū)域應(yīng)力還有較大的安全余量。可去除應(yīng)力較小區(qū)域，而增加應(yīng)力及變形較大區(qū)域的部分材料，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂主體結(jié)構(gòu)的初步優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)臂增加了過(guò)度曲面，加大了受力較大的倒角處的倒角半徑，使得動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)受力更加合理。改進(jìn)后的挖掘機(jī)動(dòng)臂模型如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的橋殼模型圖

對(duì)優(yōu)化后動(dòng)臂進(jìn)行有限元仿真分析驗(yàn)證，變形及應(yīng)力云圖如圖8、9所示，優(yōu)化前后應(yīng)力、變形對(duì)照表如表4所列。

圖8 優(yōu)化后工況一有限元分析結(jié)果

表4 優(yōu)化前后應(yīng)力、變形對(duì)照表

圖9 優(yōu)化后工況二有限元分析結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

文中以康明斯QSM11發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩為計(jì)算原始數(shù)據(jù)，逆行推算出挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置各部件的尺寸，設(shè)計(jì)出大型挖掘機(jī)動(dòng)臂。以挖掘機(jī)工作裝置主體部分為研究對(duì)象，對(duì)其兩種典型工況進(jìn)行分析，掌握大型挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)臂部件的位移和應(yīng)力分布規(guī)律。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步優(yōu)化，使得挖掘機(jī)應(yīng)力減小11%和6%，位移減小18%和38%。優(yōu)化后的動(dòng)臂質(zhì)量和應(yīng)力集中均有所減小，為同類型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。