液壓挖掘機(jī)動臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其改進(jìn)

李志軍

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，柳州 545007）

當(dāng)前我國生產(chǎn)的液壓挖掘機(jī)機(jī)械可靠性和安全性不足。究其原因，在于生產(chǎn)和設(shè)計(jì)液壓挖掘機(jī)的過程中，部分零件的強(qiáng)度和質(zhì)量未達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了使用體驗(yàn)。因此，技術(shù)人員要利用數(shù)學(xué)模型，根據(jù)動臂結(jié)構(gòu)的開裂問題，采用有限元設(shè)計(jì)單元厚度的方式，科學(xué)改進(jìn)液壓挖掘機(jī)的動臂結(jié)構(gòu)，以提高液壓挖掘機(jī)的運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的推廣應(yīng)用。

1 動臂結(jié)構(gòu)的受力分析

探究導(dǎo)致動臂結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞開裂的根本原因，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)挖掘工況、抬升工況和回轉(zhuǎn)工況所對應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)，采用調(diào)整工作裝置的方式控制液壓挖掘機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)[1]。動臂結(jié)構(gòu)受力如圖1所示。動臂結(jié)構(gòu)受力分析工況如表1所示。

圖1 動臂結(jié)構(gòu)受力簡圖

表1 動臂結(jié)構(gòu)受力分析工況

為保證計(jì)算的應(yīng)力值的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)人員要構(gòu)建工作裝置的有限元數(shù)學(xué)模型，并采用網(wǎng)格劃分的方式，根據(jù)整個(gè)工作裝置的使用需求[3]，統(tǒng)計(jì)和提交最終的有限元仿真結(jié)果。在構(gòu)建模型的過程中，為保證網(wǎng)格劃分的科學(xué)性和合理性，首先，設(shè)計(jì)人員要優(yōu)先選用四邊形單元格，并將該單元格的尺寸設(shè)置為20mm。其次，采用焊接的方式連接各個(gè)板，以確保網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)能夠達(dá)到無縫銜接的要求。再次，將整個(gè)網(wǎng)格的數(shù)量控制在30萬以內(nèi)。最后，借助動臂結(jié)構(gòu)有限元數(shù)學(xué)模型，針對不同工況的應(yīng)力情況，設(shè)計(jì)和優(yōu)化應(yīng)力集中的部位，從而確保結(jié)構(gòu)剛度能夠平緩、有效地過渡，最終有效解決動臂結(jié)構(gòu)疲勞開裂的問題。只有設(shè)計(jì)方案嚴(yán)謹(jǐn)，才能提高液壓挖掘機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，為推廣和普及液壓挖掘機(jī)、提高用戶的使用體驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 動臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高液壓挖掘機(jī)的運(yùn)行性能，延長液壓挖掘機(jī)的使用壽命，增強(qiáng)用戶的使用體驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員要重視對動臂結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。在不增加生產(chǎn)成本的前提下，針對動臂結(jié)構(gòu)的力傳遞方向不科學(xué)和結(jié)構(gòu)剛度失效等問題，從4個(gè)方面合理設(shè)計(jì)與改進(jìn)動臂結(jié)構(gòu)。第一，折彎耳板的存在，導(dǎo)致動臂作用力的傳遞路徑出現(xiàn)問題。因此，設(shè)計(jì)人員要拆掉折彎耳板，將其更換為一塊整板。一塊整板的加工成本和加工難度遠(yuǎn)低于折彎耳板，因此利用一塊整板可以減少動臂的制造成本，為提高動臂的制造效率和質(zhì)量創(chuàng)造了良好的條件。第二，由于貼板的尺寸設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致作用在動臂結(jié)構(gòu)上的作用力過小。同時(shí)，貼板在使用中需要設(shè)計(jì)人員采用焊接的方式將其與上蓋板和耳板連接，增大了焊接設(shè)計(jì)的難度和成本。因此，移除貼板在提高動臂結(jié)構(gòu)制造效率和縮小動臂結(jié)構(gòu)制造成本方面具有重要作用。第三，原有的動臂結(jié)構(gòu)使用的下蓋板半徑過小。設(shè)計(jì)人員可以采用增加下蓋板折彎半徑的方式，確保結(jié)構(gòu)剛度過渡的平緩性，以縮小動臂結(jié)構(gòu)整體重量。第四，在原有動臂結(jié)構(gòu)上，中腹板的厚度過高，而前腹板和后腹板相對較薄，導(dǎo)致動臂結(jié)構(gòu)在中腹板位置出現(xiàn)截面突變的問題。為解決這一問題，設(shè)計(jì)人員需要降低中腹板的厚度，使中腹板厚度與其他腹板厚度相一致，以確保動臂結(jié)構(gòu)整體截面的平緩性。

為了更好地優(yōu)化動臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員需采用提取應(yīng)力值的方式，分析和比較非焊接結(jié)構(gòu)所使用的母材，以保證焊接連接的科學(xué)性和合理性。動臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的Mises應(yīng)力對比如表2所示。改進(jìn)動臂結(jié)構(gòu)后，耳板母材的應(yīng)力降低了38.66%，耳板與上蓋板之間的應(yīng)力降低了21.07%，上蓋板與中腹板之間的應(yīng)力降低了47.15%。此外，抬升工況和回轉(zhuǎn)工況所對應(yīng)的應(yīng)力也有不同程度的降低?？梢姡瑒颖劢Y(jié)構(gòu)所采用的改進(jìn)方案取得了良好效果，從根本上解決了動臂結(jié)構(gòu)疲勞開裂的問題。

表2 動臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后Mises應(yīng)力對比（單位：MPa）

3 結(jié)語

在實(shí)際工作中，液壓挖掘機(jī)動臂結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂問題的根本原因是局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)范，無法有效傳遞荷載，導(dǎo)致剛度過渡不平緩問題。通過設(shè)計(jì)與優(yōu)化動臂結(jié)構(gòu)，有效降低了液壓挖掘機(jī)的制造成本，解決了應(yīng)力集中的問題，有效延長了液壓挖掘機(jī)的使用壽命，為進(jìn)一步提高液壓挖掘機(jī)的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景提供了有力保障。