液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂優(yōu)化設(shè)計(jì)的探析

胡麗琴

摘 要：在挖掘機(jī)構(gòu)架中，動(dòng)臂被看作必要部分，是承重的關(guān)鍵。施工的各階段內(nèi)，動(dòng)臂都承受著沖擊性的瞬時(shí)荷載，因而很易扭曲變形或是隱含裂痕。從根本上看，動(dòng)臂是否符合最佳的剛度及強(qiáng)度要求，密切關(guān)系到液壓挖掘機(jī)整體操作的質(zhì)量。優(yōu)化設(shè)計(jì)動(dòng)臂，可以防控某一時(shí)段的應(yīng)力聚集，減輕動(dòng)臂自身的重量。經(jīng)過優(yōu)化以后，設(shè)計(jì)出更合適的動(dòng)臂尺寸。針對(duì)于液壓挖掘機(jī)，采納有限元解析的方式予以優(yōu)化設(shè)計(jì)，從根本上提升了挖掘機(jī)的精度，優(yōu)化生產(chǎn)實(shí)效。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)；動(dòng)臂；優(yōu)化設(shè)計(jì)

在各類工程范圍內(nèi)，液壓挖掘機(jī)都經(jīng)常被選用。挖掘機(jī)可用于節(jié)省勞動(dòng)，減低了勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)于土石方施工、搬運(yùn)及機(jī)械施工，都可優(yōu)先選用液壓式的挖掘機(jī)。液壓挖掘機(jī)配備了動(dòng)臂，可以承載瞬時(shí)的較強(qiáng)負(fù)荷[1]。在施工進(jìn)程中，動(dòng)臂應(yīng)能維持于最佳的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，慎重防控突然的斷裂及損傷。對(duì)于此，有必要解析動(dòng)臂設(shè)計(jì)的優(yōu)化方式，在各類方案中篩選最適宜的優(yōu)化措施。

一、總體的優(yōu)化思路

技術(shù)快速進(jìn)步，與之相伴的工程機(jī)械也表現(xiàn)出更優(yōu)的質(zhì)量水準(zhǔn)。在新的階段內(nèi)，工程機(jī)械配備了計(jì)算機(jī)軟硬件，優(yōu)化了日常施工的方式。針對(duì)于零部件及整體機(jī)械，都可采納微機(jī)輔助下的優(yōu)化。在解析機(jī)械構(gòu)架時(shí)，也可選取有限元的特定方式。從現(xiàn)狀來看，某些軟件增設(shè)了配套性的接口，也配備了CAD平臺(tái)用于制作模型。這樣做，從根本上提升了解析時(shí)的精確性。然而，在轉(zhuǎn)換模型時(shí)，仍會(huì)耗費(fèi)較多精力及時(shí)間用于修補(bǔ)原先的模型，因此制作出來的模型并沒能完全吻合設(shè)置的目標(biāo)。若能采納有限元特定的解析方式，即可優(yōu)化現(xiàn)有的動(dòng)臂參數(shù)。設(shè)定參數(shù)范圍，而后尋求最優(yōu)的數(shù)值信息[2]。

液壓挖掘機(jī)裝置中，動(dòng)臂是關(guān)鍵的構(gòu)件。挖掘機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)臂也承載了較大的上側(cè)負(fù)荷。然而日常施工的流程內(nèi)，沖擊性的瞬間負(fù)荷通常都會(huì)較高，這種狀態(tài)下的挖掘機(jī)很易超越設(shè)定的變形限度，造成彎曲變形。同時(shí)，設(shè)置動(dòng)臂也要兼顧本身的剛度及強(qiáng)度。這是由于，配置的動(dòng)臂是否合適，直接關(guān)系到應(yīng)力聚集的程度及挖掘機(jī)的順利運(yùn)轉(zhuǎn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)要借助于有限元軟件，創(chuàng)造無縫集成。這樣做，確保符合了設(shè)定的精度，提升優(yōu)化的成效并且可以指引實(shí)踐。

二、設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)

通常來看，若要解析某一問題，在工程學(xué)角度下先要予以抽象。在這之后，采納數(shù)學(xué)建模的設(shè)計(jì)方式。從這種角度看，優(yōu)化設(shè)計(jì)的根本宗旨即為構(gòu)建模型。液壓挖掘機(jī)設(shè)有動(dòng)臂，這種構(gòu)件應(yīng)能順利運(yùn)轉(zhuǎn)并且運(yùn)送原料。但是與此同時(shí)，動(dòng)臂也承受著較多的作用力。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，先要構(gòu)建必備的物理模型，考慮動(dòng)臂本身的特性。給出限定條件，而后擬定必備的變量參數(shù)。經(jīng)過全方位優(yōu)化，即可配備最適宜的動(dòng)臂性能指標(biāo)。因此從整體來看，數(shù)學(xué)模型涵蓋了約束條件、設(shè)計(jì)的變量、相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。

液壓挖掘機(jī)這類裝置包含了動(dòng)臂、鏟斗及配套的油缸，此外還配備了箱體的焊接結(jié)構(gòu)。在動(dòng)臂的根部，銜接了鉸接的銷軸，平臺(tái)中部及前端也配備了必要的焊接結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置了支撐性的動(dòng)力油缸，在鉸接作用下油缸將會(huì)反復(fù)伸縮，帶動(dòng)了升降運(yùn)動(dòng)的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)[3]。

三、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

挖掘機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的進(jìn)程中，動(dòng)臂表現(xiàn)出舉伸的作用力。唯有這樣，才會(huì)確保最合適的挖掘總量。對(duì)于此，液壓系統(tǒng)及配套的發(fā)動(dòng)機(jī)都應(yīng)提升可承載的負(fù)荷總量，盡量滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。借助于發(fā)動(dòng)機(jī)，提升了整體的挖掘機(jī)功率，獲取優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)成效。經(jīng)過解析可得，若油缸完全伸縮，那么斗桿及動(dòng)臂將會(huì)維持于同樣的基準(zhǔn)線。在這時(shí)，動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)表現(xiàn)出最大受力，舉伸的作用力也可達(dá)到最佳。這種狀態(tài)下，動(dòng)臂油缸可被提升至最高，目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為最小的比值。

經(jīng)過有限元分析，先要配備動(dòng)臂的幾何模型。選取特定的軟件，快速生成更精準(zhǔn)的有限元模型。優(yōu)化后的動(dòng)臂模型表現(xiàn)出三維的實(shí)體性，可以輸入信息。在這種基礎(chǔ)上，改進(jìn)了各部分動(dòng)臂原有的尺寸。在焊接動(dòng)臂時(shí)，可選取多型號(hào)的鋼材用于焊接。最好選取某一模型鋼材，設(shè)定合適的彈性模量及密度，泊松比也要適當(dāng)。針對(duì)動(dòng)臂的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，有限元分析包含了鉸接轉(zhuǎn)臺(tái)的自由移動(dòng)度，應(yīng)當(dāng)增設(shè)必要的自由度約束。在軸承方向上，還需施加荷載來表示各類支點(diǎn)分布的受力形態(tài)，因此可以確定優(yōu)化后的動(dòng)臂設(shè)計(jì)[4]。

四、解析動(dòng)臂的靈敏性

有限元分析中，配備了靈敏度分析的必要模塊，可用于評(píng)價(jià)定量及定性的動(dòng)臂誤差。在模型校正及參數(shù)化過程中，有限元分析都被看作最合適的用具，它表征了描述系統(tǒng)時(shí)的不可確定性。從根本上看，局部及全局性的靈敏度解析都被包含在內(nèi)。優(yōu)化設(shè)計(jì)動(dòng)臂時(shí)，不需考慮銜接性的其他裝置構(gòu)件。從力學(xué)原理來看，動(dòng)臂鉸接點(diǎn)分布的應(yīng)力狀態(tài)都會(huì)帶來某些影響。為此，就要設(shè)置最佳敏銳度的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)，優(yōu)選合適的參數(shù)。

除了全局的敏銳度，還需衡量局部性的動(dòng)臂敏銳程度。具體來看，局部的解析針對(duì)于變化中的單個(gè)參數(shù)，設(shè)置了精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)模型。篩選幾個(gè)參數(shù)，而后辨析了綜合設(shè)計(jì)帶來的動(dòng)臂靈敏度影響。全局的優(yōu)化設(shè)計(jì)更注重于整體優(yōu)化，解析了參數(shù)相互的作用。在這種基礎(chǔ)上，確定了最大范圍內(nèi)的動(dòng)臂性能影響，找出最合適的優(yōu)化數(shù)據(jù)范圍。滿足約束條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)能確保動(dòng)臂體積減小、自身重量減輕，并且能夠分散原本集中的動(dòng)臂應(yīng)力。

五、結(jié)語

液壓挖掘機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不可缺失動(dòng)臂的優(yōu)化，構(gòu)建了必要的優(yōu)化模型，從全方位入手優(yōu)化配備了動(dòng)臂的性能。借助于有限元分析，設(shè)定了敏銳度等多樣的參數(shù)用于優(yōu)化。經(jīng)過全面優(yōu)化，設(shè)計(jì)出來的新式動(dòng)臂符合了負(fù)載強(qiáng)度，可以分散應(yīng)力并且減輕負(fù)重。這樣做，選取了合適的動(dòng)臂幾何尺寸，運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)臂將會(huì)表現(xiàn)出更優(yōu)的實(shí)效性。在未來實(shí)踐中，還需不斷摸索設(shè)計(jì)優(yōu)化的經(jīng)驗(yàn)，服務(wù)于液壓挖掘機(jī)的施工實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭惠強(qiáng)，王業(yè)文.液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2012（02）：142-144.

[2]陳健，周鑫，劉欣等.液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工程機(jī)械，2012（07）：19-22+5-6.

[3]朱奇，孫紀(jì)燕. 液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工程機(jī)械，2012（09）：34-36+7.

[4]吳盛彬，劉孝保.液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂內(nèi)部筋板的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].新技術(shù)新工藝，2014（08）：43-45.