液壓挖掘機動臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

王智森，汪兆棟，張少懷

（景德鎮(zhèn)學院機械電子工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

近年來中國“基建達人”的名聲響徹世界各地，液壓挖掘機的需求量一直保持快速增長態(tài)勢，因此，液壓挖掘機在基建工程中扮演著至關(guān)重要的角色，節(jié)約了人力成本，縮短了建設(shè)工期［1］。動臂是液壓挖掘機的動力系統(tǒng)核心組成部分，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，不僅影響液壓挖掘機正常工作，還可能存在變形、開裂及斷裂等安全隱患。因此，提高液壓挖掘機動臂的強度和剛度是目前工程裝備亟待解決的重要難題之一［2-3］。

挖掘機最先起源于工業(yè)發(fā)達國家，如美國、日本、瑞典等，主要應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)、采礦業(yè)、建筑業(yè)等領(lǐng)域［4］。國外知名挖掘機制造公司有美國CAT、CASE，日本KOMATSU、HITACHI、KOBELCO，瑞典VOLVO 及韓國HYUNDAI、DOOSAN 等。當前，挖掘機正朝著自動化、專用化、多功能化和智能化方向發(fā)展，以滿足各種工況需求［5］。1967 年，中國開始自主研制液壓挖掘機，截至目前已有26 家挖掘機制造公司加入中國工程機械工業(yè)協(xié)會［6］。近年來，國內(nèi)處于道路交通、能源水利、城市建設(shè)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展階段，挖掘機市場需求井噴式擴張，液壓挖掘機技術(shù)也隨之迅猛革新［7］。目前國內(nèi)知名挖掘機制造公司有三一重工、徐工、中聯(lián)重科、柳工、山東臨工及山河智能等。據(jù)統(tǒng)計，2019年、2020 年國內(nèi)液壓挖掘機銷量占比情況，三一重工分別占比29%、32%，而且穩(wěn)奪國內(nèi)連續(xù)10 年銷售冠軍［8］。本文以斗山某中型液壓挖掘機為研究對象，根據(jù)技術(shù)參數(shù)完成整體結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模，分析典型危險工況下動臂各鉸點的受力情況及應(yīng)力分布，對動臂危險部位進行優(yōu)化設(shè)計，對比優(yōu)化結(jié)果驗證液壓挖掘機動臂工作可靠性。

1 液壓挖掘機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 工作性能參數(shù)確定

液壓挖掘機主要通過液壓泵將發(fā)動機的動力傳遞給液壓馬達、液壓缸等執(zhí)行元件，推動工作裝置完成所需作業(yè)，具有機動靈活、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點［9］。影響液壓挖掘機性能的3個主要參數(shù)是操作重量、發(fā)動機功率和鏟斗容量，斗山某中型液壓挖掘機的工作性能參數(shù)如表1所示。

表1 斗山某中型液壓挖掘機性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of a medium hydraulic excavator in Doushan

液壓挖掘機的工作原理是由行走馬達驅(qū)動行走裝置完成移動，由回轉(zhuǎn)馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)裝置完成回轉(zhuǎn)，工作裝置主要由液壓馬達帶動液壓油驅(qū)動動臂油缸、斗桿油缸及鏟斗油缸完成不同工況的挖掘作業(yè)［10］。液壓挖掘機作業(yè)過程一般由以下5 個步驟組成1個工作循環(huán)：①根據(jù)挖掘作業(yè)區(qū)域移動到指定位置；②由動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸配合鏟斗挖掘土石方；③由動臂油缸驅(qū)動動臂收縮，斗桿油缸和鏟斗油缸驅(qū)動將土石方抬升；④回轉(zhuǎn)平臺控制回轉(zhuǎn)運動調(diào)整土石方卸載方向；⑤通過鏟斗油缸、斗桿油缸驅(qū)動鏟斗和斗桿運動將鏟斗內(nèi)土石方卸載在指定位置。

1.2 3部件參數(shù)化建模

液壓挖掘機主要由工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置3 部件組成，根據(jù)斗山某中型液壓挖掘機的結(jié)構(gòu)尺寸性能參數(shù)建立簡化三維模型。工作裝置是液壓挖掘機的關(guān)鍵部件，主要包括動臂、斗桿、鏟斗、液壓油缸、搖桿及連桿部分。其中，動臂作為工作裝置中承載能力要求最高的部分，需具備重量輕、剛度大的特點。動臂由不同厚度鋼板焊接形成一個封閉的箱式結(jié)構(gòu)，由于厚度對于動臂應(yīng)力大小和位移影響較大，借助UG 采用上下翼板3段式、左右腹板多段式的彎臂結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化建模，如圖1所示。根據(jù)動臂建模方法完成斗桿、鏟斗及其他部分的建模，將工作裝置所有零部件按照鉸鏈孔位置關(guān)系進行裝配，如圖2所示。

圖1 動臂建模Fig.1 Arm modeling

圖2 工作裝置建模裝配Fig.2 Working device modeling and assembly

回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由于本文主要研究工作裝置的動臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題，借助UG 將回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置的模型進行簡化處理，保證整體尺寸在誤差允許范圍內(nèi)完成參數(shù)化建模。在完成3 部件簡化模型的基礎(chǔ)上，對液壓挖掘機的工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置進行裝配，如圖3 所示，液壓挖掘機整體三維結(jié)構(gòu)為3 種典型工況下各鉸點處應(yīng)力計算提供分析依據(jù)［11］。

圖3 液壓挖掘機3部件建模裝配Fig.3 Three parts modeling and assembly of hydraulic excavator

2 液壓挖掘機動臂優(yōu)化設(shè)計

2.1 危險工況分析選取

液壓挖掘機在工作過程中，面臨復(fù)雜多變的挖掘作業(yè)環(huán)境，因此，需要對運行工況進行分析，選取危險工況進行載荷計算、強度校核和優(yōu)化設(shè)計。液壓挖掘機的工作狀態(tài)是由不同油缸的伸縮組合決定，挖掘動作主要由動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸3 個油缸配合驅(qū)動完成，運行工況大體分為3 類：工況1 是由鏟斗油缸單獨工作控制鏟斗進行挖掘作業(yè)，特點是挖掘半徑較小且土石方較松軟；工況2是由斗桿油缸單獨工作，伸縮控制斗桿帶動鏟斗進行挖掘，適合相對堅硬的巖石層作業(yè)環(huán)境；工況3是由動臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸同時配合工作，適合復(fù)雜土石方作業(yè)環(huán)境。不同工況情況下，油缸伸縮狀態(tài)不同，因此，工作裝置上各部件鉸點受力也不同。根據(jù)挖掘作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜程度分析工況3 為危險工況，本文針對危險工況建立工作位置視圖進行各鉸點受力分析。

2.2 動臂各鉸點受力分析

選定X-Z平面為基準平面，針對工作裝置各部件鉸點進行標號，如圖4 所示。不同工況對應(yīng)的理論挖掘力值也不同，忽略偏載及各鉸點摩擦的影響，假設(shè)選取的工況均為靜止狀態(tài)。根據(jù)工作裝置各部件鉸點的位置關(guān)系，將連桿、搖臂和油缸均簡化為二力桿，利用力矩平衡和力平衡原理，計算各部件鉸點在X、Z方向上的受力。首先對動臂進行受力分析，由圖4 可知，動臂鉸點B、C、D、F均受到來自相鄰部件的鉸接力作用，且鉸接力均分布在XZ基準平面內(nèi)，因此，可以通過X、Z方向的分力表示。將工作裝置的動臂部件進行分離，其他部分等效為一個剛性整體，分析受力如圖5所示，以鉸點F為中心取矩，求出動臂與斗桿鉸接點F和動臂與斗桿油缸鉸接點D的載荷作用。

圖4 工作裝置各部件鉸點標號示意圖Fig.4 Schematic chart of hinge point number of each part of working device

圖5 動臂受力分析Fig.5 Force analysis of arm

根據(jù)整體力矩平衡方程和力平衡方程可得

將圖5中已知受力代入方程組展開可得

式中：φ、α分別為鏟斗挖掘角、斗桿油缸傾角。

代入理論挖掘力參數(shù)、各部件自重參數(shù)及各點作用力臂參數(shù)，聯(lián)立求解以上方程組即可求得斗桿油缸與斗桿鉸接點E的X、Z方向上的受力FEX、FEZ，動臂與斗桿鉸接點F的X、Z方向上的受力FFX、FFZ。計算過程中將斗桿油缸簡化為直桿，根據(jù)牛頓第三定律，動臂與斗桿油缸鉸接點D載荷和斗桿油缸與斗桿鉸接點E載荷大小相等、方向相反，由此得到動臂與斗桿油缸鉸接點D在X、Z方向上的受力FDX、FDZ。

工況3 為動臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸同時配合工作，以動臂、斗桿及鏟斗最大理論挖掘力中最大者作為該工況下鏟斗的切向挖掘力。代入各項參數(shù)計算出動臂鉸接點D、F的受力大小，如表2所示。

表2 危險工況動臂各鉸點受力Tab.2 Stress of each hinge point of arm under dangerous working conditions

2.3 危險工況動臂有限元仿真分析

建立UG 和ANSYS Workbench 動臂三維模型導(dǎo)入接口，選擇Static Structural 進行靜力學分析，利用Design Modeler 對導(dǎo)入模型細節(jié)處理。動臂材料性能參數(shù)如表3 所示，通過Geometry 定義動臂材料屬性，點擊Engineering Data 設(shè)置材料為Structural Steel。

表3 動臂材料性能參數(shù)Tab.3 Arm material performance parameters

為了確保網(wǎng)格劃分效率和計算精度，采用四面體網(wǎng)格劃分動臂單元格，在Mesh 中設(shè)置Method命令為Tetrahedrons，選擇Sizing 方式對整體尺寸劃分，將Element Size 設(shè)置為40 mm，針對動臂鉸點、耳板處分別設(shè)置Sizing 為10 mm、15 mm 進行網(wǎng)格細化處理，Transition 設(shè)置為Slow 優(yōu)化不同網(wǎng)格精度過渡問題，動臂網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 動臂網(wǎng)格劃分Fig.6 Arm meshing

根據(jù)2.2節(jié)危險工況下動臂各鉸點受力計算結(jié)果施加載荷約束，由于坐標軸是建立在液壓挖掘機基礎(chǔ)底座上的，對動臂各鉸點進行靜力學分析前需要將坐標軸轉(zhuǎn)換建立在動臂模型上。為了更好地模擬鉸接處各鉸點力，采用Bearing Load 對鉸接點處進行施加載荷，考慮動臂自重影響，通過Standard Earth Gravity 設(shè)置Z軸負方向的重力場。添加弱彈簧消除結(jié)構(gòu)體兩端微小受力不平衡造成剛性位移的影響，模擬鉸接運動，約束各鉸點X、Y、Z方向上的位移，在Remote Displacement 中分別設(shè)置RotX、RotY、RotZ為0、Free、0。

通過Solution 求解添加Equivalent Stress 和Total Deformation 分析得到工況3 動臂的應(yīng)力云圖、位移云圖如圖7 所示，為了方便進行強度分析，在DM模塊中添加Max指示標。

圖7 危險工況動臂云圖Fig.7 Cloud chart of arm under dangerous working conditions

由圖7（a）可知：工況3 動臂最大應(yīng)力為284.57 MPa，出現(xiàn)在上翼板與耳板連接處，且動臂與斗桿、動臂油缸鉸接處均出現(xiàn)應(yīng)力集中。由圖7（b）可知：工況三動臂最大位移為5.586 2 mm，出現(xiàn)在動臂前端。危險工況動臂最大應(yīng)力和最大變形值如表4 所示，最大應(yīng)力小于動臂材料屈服強度值345 MPa，因此，動臂強度和剛度滿足工作要求。

表4 危險工況動臂最大應(yīng)力變形值Tab.4 Maximum stress deformation value of arm under dangerous working conditions

2.4 動臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

為了降低動臂耳板與上翼板連接處最大應(yīng)力值，消除動臂與斗桿、動臂油缸鉸接處均出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，減小動臂前端部位變形，以提高動臂工作壽命，針對動臂結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。改進耳板厚度，加厚至50 mm，動臂與斗桿鉸接處兩側(cè)分別增加1 個上圓直徑139 mm、下圓直徑145 mm、高16 mm 的中空圓臺，動臂與動臂油缸鉸接處兩側(cè)分別增加1 個上圓直徑129 mm、下圓直徑140 mm、高16 mm的中空圓臺，優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 動臂優(yōu)化結(jié)構(gòu)Fig.8 Optimization structure of arm

按照2.3 節(jié)動臂靜力學分析步驟，設(shè)置動臂優(yōu)化結(jié)構(gòu)的材料屬性定義、劃分網(wǎng)格、施加載荷約束、求解流程，得到危險工況下動臂優(yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖9所示。

圖9 危險工況動臂優(yōu)化結(jié)構(gòu)云圖Fig.9 Optimization structure cloud chart of arm under dangerous working conditions

動臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后最大應(yīng)力變形對比如表5所示。由此可得，工況3 動臂優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值、最大變形值相比原結(jié)構(gòu)分別減小13%、6.2%。仿真分析表明：動臂優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象消失，優(yōu)化結(jié)果滿足材料強度和剛度要求。

表5 危險工況動臂優(yōu)化前后最大應(yīng)力變形對比Tab.5 Comparison of maximum stress and deformation around arm optimization under dangerous working conditions

3 結(jié)論

（1）本文以斗山某中型液壓挖掘機為例，介紹運用UG/ANSYS 軟件進行液壓挖掘機整體結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模、危險工況動臂優(yōu)化設(shè)計方法和操作步驟。

（2）分析液壓挖掘機常見的3 類運行工況，根據(jù)挖掘作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜程度選定工況3 即動臂油缸、斗桿油缸及鏟斗油缸同時配合工作的危險工況對動臂進行受力分析，計算得到危險工況動臂鉸接點D、F在X、Z方向的分力。

（3）針對危險工況動臂進行靜力學分析，仿真結(jié)果表明動臂最大應(yīng)力值為284.57 MPa，最大位移值為5.586 2 mm，強度和剛度滿足工作要求。動臂耳板部位較薄弱，應(yīng)力值最大且與斗桿、動臂油缸鉸接處均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（4）結(jié)合動臂薄弱部位和應(yīng)力集中現(xiàn)象對局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后動臂在工況3 下最大應(yīng)力值、最大變形值分別減小13%、6.2%，解決了應(yīng)力集中問題，有利于提高工作裝置的疲勞壽命。優(yōu)化方法為同類型工程機械整機設(shè)計及靜力學分析提供一種實用性參考。