大型液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)有限元分析

賀雨田++呂彭民++牛選平

摘 要：為了研究液壓挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)挖掘機(jī)使用壽命的影響，針對(duì)某大型液壓挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在對(duì)其結(jié)構(gòu)簡化的基礎(chǔ)上，采用實(shí)體單元、板殼單元和梁單元聯(lián)合建模方式，建立了液壓挖掘機(jī)工作裝置整體有限元模型。選擇了三種典型工況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)有限元分析，通過對(duì)不同工況下挖掘機(jī)工作裝置的應(yīng)力分析和疲勞強(qiáng)度評(píng)估，發(fā)現(xiàn)了該挖掘機(jī)工作裝置靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度不足部位，并提出了挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；工作裝置；有限元模型；使用壽命

中圖分類號(hào)：U415.51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Finite Element Analysis of Working Device of Large- sized Hydraulic Excavator

HE Yu- tian1，2， LU Peng- min1， NIU Xuan- ping3

（1. Key Laboratory of Road Construction & Equipment of MOE， Changan University， Xian 710064，

Shaanxi， China；2. Xian Special Equipment Inspection Institution， Xian 710065， Shaanxi， China；

3. World Heavy Industry （China） Co.Ltd.， Zhenjiang 212143， Jiangsu， China）

Abstract： Based on the structural features of the working device of a large- sized hydraulic excavator， the finite element model was simplified and established with solid elements， plane elements and beam elements， and the finite element analysis was carried out for three kinds of typical working conditions. Through stress analysis of the working device under different conditions， areas with insufficient static strength and fatigue strength of excavator were found， and advice for excavator structure optimization was proposed.

Key words： excavator； working device； finite element model； service life

0 引 言

對(duì)于挖掘機(jī)這樣結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變的工程機(jī)械而言，采用常規(guī)的解析法無法獲得結(jié)構(gòu)局部的應(yīng)力應(yīng)變分布和位移變化情況。通過有限元計(jì)算對(duì)工作裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估是一種有效可行的辦法。近年來，挖掘機(jī)不斷向大型化方向發(fā)展，由于大型挖掘機(jī)的作業(yè)條件和工作環(huán)境較為惡劣，因此對(duì)其強(qiáng)度、剛度和可靠性等提出了更高的要求。

挖掘機(jī)工作裝置是由動(dòng)臂、斗桿和鏟斗組成的開鏈桿件系統(tǒng)，它通過對(duì)各桿件位置的調(diào)整實(shí)現(xiàn)挖掘作業(yè)。為了獲得挖掘機(jī)工作裝置的應(yīng)力分布，可以對(duì)動(dòng)臂、斗桿、鏟斗以及銷軸等挖掘機(jī)的各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)分析，但這種從整體中分離的局部計(jì)算往往受到邊界條件和載荷的影響，當(dāng)計(jì)算設(shè)置不合理時(shí)，會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性[1- 2]。本文選擇某50T大型挖掘機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)挖掘機(jī)工作裝置簡化處理后，建立了工作裝置結(jié)構(gòu)整體的有限元模型，通過典型工況應(yīng)力分析，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比評(píng)估，給出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議，為挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)提供了可靠數(shù)據(jù)。

1 工況選擇與載荷確定

選擇液壓挖掘機(jī)工作裝置的計(jì)算工況參照《液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB 9141—88）進(jìn)行，選擇3種工況進(jìn)行有限元分析，計(jì)算時(shí)主要考慮重力和切向力的作用。

工況1：動(dòng)臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，鏟斗液壓缸以最大當(dāng)量力臂工作。

工況2：動(dòng)臂液壓缸全縮，斗桿液壓缸作用力臂最大，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)連線的延長線上。

工況3：動(dòng)臂液壓缸全縮，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)連線的延長線上，且三點(diǎn)所在的直線位于鉛垂線上。

圖1給出了3種工況下不同的挖掘姿態(tài)，在確定各工況的切向力時(shí)，選擇3種姿態(tài)下最不利的工況進(jìn)行分析。根據(jù)作用力與反作用力原理，在3種姿態(tài)下挖掘機(jī)能提供的最大挖掘力就是挖掘機(jī)在挖掘機(jī)過程中所承受的最大挖掘阻力。經(jīng)計(jì)算，3種工況下挖掘機(jī)提供的最大挖掘力見表1。

2 有限元模型建立

目前，先通過三維軟件建立幾何模型，然后再導(dǎo)入有限元軟件建立有限元模型的方法應(yīng)用較為廣泛[3]。但由于格式轉(zhuǎn)換的誤差，可能導(dǎo)致一些幾何數(shù)據(jù)信息丟失[4]，雖然可以在有限元軟件中進(jìn)行模型修復(fù)，但仍然容易出現(xiàn)疏漏，給計(jì)算帶來不利影響，而采用有限元軟件直接建?？梢员苊獠槐匾腻e(cuò)誤，因此本文采用有限元軟件進(jìn)行整體建模。

2.1 挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)

1個(gè)鏟斗、2個(gè)工作臂（斗桿與動(dòng)臂）、3組油缸和11根銷軸以及一些其他輔助零部件構(gòu)成了挖掘機(jī)的工作裝置。動(dòng)臂、斗桿和鏟斗是挖掘機(jī)工作裝置的3個(gè)主體構(gòu)件，其中動(dòng)臂和斗桿是由板材焊接而成的箱體結(jié)構(gòu)。除斗齒外，鏟斗的其余部分是由板材焊接成的一個(gè)可容體。工作裝置各構(gòu)件之間通過油缸聯(lián)接，油缸與主體構(gòu)件采用銷軸聯(lián)接，是一個(gè)多處可轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2.2 有限元模型簡化

對(duì)于有限元模型，合理簡化不僅可以提高計(jì)算效率，而且可以較為準(zhǔn)確地反映挖掘機(jī)各部位的受力情況。因而本文不考慮墊板、螺栓孔、油管孔和其他細(xì)微結(jié)構(gòu)對(duì)工作裝置的影響，所有焊接位置均視為等強(qiáng)度連接[5]。

建立的有限元模型如圖2所示，銷軸以及與其接觸的套筒采用實(shí)體單元；動(dòng)臂、斗桿采用板殼單元；為加載方便，去掉了斗齒，并將安裝斗齒的鏟斗前端建立成實(shí)體，鏟斗其余結(jié)構(gòu)均采用板殼單元；模型中對(duì)油缸進(jìn)行了分割簡化，將油缸兩端與銷軸聯(lián)接的部位建成實(shí)體，其余部分等效成等截面桿件。

2.3 接觸單元

有限元模型經(jīng)過簡化后，建立實(shí)體面與實(shí)體面、實(shí)體面與線以及實(shí)體面與點(diǎn)的接觸關(guān)系。實(shí)體面與實(shí)體面的接觸主要是軸與軸套以及油缸的聯(lián)接；實(shí)體面與線的接觸是軸套與殼之間的聯(lián)接；實(shí)體面與點(diǎn)的接觸在實(shí)際結(jié)構(gòu)中是不存在的，它只是有限元模型計(jì)算采取的一種處理手段，將接觸單元引入計(jì)算，使有限元模型與挖掘機(jī)實(shí)際使用情況更為接近。

2.4 單元選擇及網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行單元?jiǎng)澐謺r(shí)，針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取不同單元類型建立有限元模型[6]。挖掘機(jī)的主體結(jié)構(gòu)采用Shell63四邊形板殼單元進(jìn)行分析，鑄件結(jié)構(gòu)、各支撐軸以及與支撐軸套均采用Solid45六面體實(shí)體單元，油缸采用Beam188梁單元。不同單元類型之間的接觸采用MPC算法，實(shí)體與實(shí)體之間的面面接觸采用Standard類型。固定約束施加在動(dòng)臂與機(jī)架聯(lián)接的聯(lián)接軸上，載荷為鏟斗前端施加的均布切向力，動(dòng)臂和動(dòng)臂油缸尾端的2根支撐軸上施加固定約束，網(wǎng)格由軟件自動(dòng)生成，共建立實(shí)體單元82 837個(gè)，殼單元18 241個(gè)，梁單元80個(gè)，接觸單元37 973個(gè)。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

由于挖掘機(jī)的作業(yè)工況復(fù)雜，為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)不同工作臂結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)選擇不同。動(dòng)臂在工作中相對(duì)比較平穩(wěn)，故安全系數(shù)相對(duì)較低；斗桿屬于挖掘的主要承力結(jié)構(gòu)，鏟斗屬易損件，因此安全系數(shù)相對(duì)較高。為了保證挖掘機(jī)工作臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同一性，材料全部采用Q345，根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則公式（1），可以計(jì)算出工作臂各結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，工作臂各結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)范圍和設(shè)計(jì)許用應(yīng)力范圍見表2。

σ=σbn（1）

式中：σb為材料的強(qiáng)度極限；n為安全系數(shù)。

3.2 整體強(qiáng)度分析

在工況1下，挖掘機(jī)工作裝置整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖3（a）所示。該工況下，挖掘機(jī)工作裝置鏟斗彎板和側(cè)蓋板處焊接位置的應(yīng)力值較大，達(dá)到273.6 MPa，超出了鏟斗設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力值，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鏟斗吊耳孔處，達(dá)到455. 8 MPa，超出了材料的強(qiáng)度極限，如圖3（b）所示；在工況2條件下，工作裝置應(yīng)力分布云圖見圖4（a），最大應(yīng)力出現(xiàn)在鏟斗彎板處，值為170.0 MPa，其值也超出了鏟斗的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力值，如圖4（b）所示；在工況3條件下，最大應(yīng)力值為117.0 MPa，該應(yīng)力分布在動(dòng)臂與機(jī)架聯(lián)接部，整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，如圖5所示。由以上計(jì)算結(jié)果可知，該挖掘機(jī)在鏟斗吊耳處、彎板和側(cè)蓋板焊接部位應(yīng)力均超過了強(qiáng)度要求，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)或補(bǔ)強(qiáng)，從而使其滿足靜強(qiáng)度要求。

3.3 疲勞強(qiáng)度評(píng)估

在挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中引入疲勞強(qiáng)度評(píng)估，對(duì)挖掘機(jī)危險(xiǎn)部位的安全性和可靠性提供重要保障的同時(shí)，還可以減輕強(qiáng)度余量過大部件或結(jié)構(gòu)的重量。根據(jù)挖掘機(jī)實(shí)際應(yīng)用情況看，吊耳與銷軸接觸的位置以及吊耳焊接根部是挖掘機(jī)工作裝置較為容易發(fā)生破壞的區(qū)域，本文針對(duì)上述結(jié)構(gòu)中鏟斗吊耳、斗桿吊耳、斗桿尾端、動(dòng)臂吊耳和動(dòng)臂尾端區(qū)域進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估。

結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力選取工況1條件下的有限元計(jì)算結(jié)果，最小應(yīng)力選取工況1條件下僅有重力作用時(shí)的有限元計(jì)算結(jié)果，由公式（2）可以計(jì)算得出平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅值σa，工作裝置危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果值見表3。將表3各點(diǎn)繪制在Goodman疲勞極限圖中，由圖6可知，鏟斗吊耳處不能滿足疲勞強(qiáng)度，其余各點(diǎn)的應(yīng)力范圍均在Goodman疲勞極限范圍內(nèi)，表明鏟斗吊耳結(jié)構(gòu)需要加厚以滿足疲勞強(qiáng)度要求。

4 結(jié) 語

（1） 采用實(shí)體單元、板殼單元和梁單元建立了液壓挖掘機(jī)工作裝置整體有限元模型，模型多處連

圖6 Goodman疲勞極限

接部位建立了接觸單元，使有限元模型更接近挖掘機(jī)的實(shí)際情況。

（2） 通過對(duì)3種典型挖掘姿態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，獲得了在3種姿態(tài)下整體結(jié)構(gòu)受力分布情況，并計(jì)算得出挖掘機(jī)工作裝置中不滿足材料靜強(qiáng)度的部位。

（3） 利用Goodman疲勞極限圖對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的危險(xiǎn)部位進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度評(píng)估，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

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