基于UG/ANSYS的液壓挖掘機(jī)動臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：為增強(qiáng)挖掘機(jī)動臂性能，采用UG/ANSYS軟件，對斗山品牌中型液壓挖掘機(jī)的動臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與有限元仿真分析。首先進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模，隨后重點(diǎn)分析了三種典型的運(yùn)行工況，以確定最危險(xiǎn)的工況。在最危險(xiǎn)的工況3下，詳細(xì)分析了動臂鉸接點(diǎn)的受力情況，并進(jìn)行了靜力學(xué)仿真，從而對動臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了針對性優(yōu)化。最終，優(yōu)化設(shè)計(jì)顯著提高了動臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，減少了最大應(yīng)力和變形，有效延長了設(shè)備的疲勞壽命。該研究不僅增強(qiáng)了挖掘機(jī)動臂的性能，也為類似工程機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了寶貴的參考。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)；動臂優(yōu)化；有限元分析；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；UG/ANSYS

中圖分類號：TU621" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0042-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.011

0" " 引言

液壓挖掘機(jī)作為工程機(jī)械中的重要設(shè)備，其性能直接影響工程效率和機(jī)械安全。動臂作為液壓挖掘機(jī)中承受復(fù)雜負(fù)載的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)優(yōu)化對提高整體機(jī)械性能具有決定性作用[1]。本研究選取斗山品牌的中型液壓挖掘機(jī)作為研究對象，采用UG和ANSYS軟件工具，基于動臂的危險(xiǎn)工況分析和有限元仿真分析，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過參數(shù)化建模和優(yōu)化分析，本研究旨在實(shí)現(xiàn)動臂結(jié)構(gòu)的最優(yōu)性能，確保機(jī)械在復(fù)雜工況下的可靠性和安全性。

1" " 液壓挖掘機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1" " 性能參數(shù)

液壓挖掘機(jī)通過液壓泵轉(zhuǎn)換發(fā)動機(jī)動力，驅(qū)動關(guān)鍵部件如液壓馬達(dá)和缸體，實(shí)現(xiàn)作業(yè)設(shè)備的控制，具有較好的靈活性與廣泛的適用性。液壓挖掘機(jī)性能主要由操作重量、發(fā)動機(jī)功率及鏟斗容量三大參數(shù)決定[2]。本研究采用的是斗山品牌中型液壓挖掘機(jī)，詳細(xì)性能參數(shù)如表1所示。

液壓挖掘機(jī)操作過程大致如下：

1）位置移動：挖掘機(jī)通過行走馬達(dá)驅(qū)動行走裝置，移至作業(yè)位置。

2）挖掘動作：動臂油缸、斗桿油缸與鏟斗油缸協(xié)作，進(jìn)行土石挖掘。

3）土石抬升：動臂油缸收縮，配合斗桿與鏟斗油缸操作，抬升挖掘物。

4）調(diào)整卸載方向：回轉(zhuǎn)臺通過回轉(zhuǎn)馬達(dá)調(diào)整，確保正確的卸載方向。

5）土石卸載：控制鏟斗與斗桿油缸動作，將土石卸至指定位置。

1.2" " 三部件參數(shù)化建模

液壓挖掘機(jī)主要由工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置三個(gè)基本部分構(gòu)成。工作裝置是挖掘機(jī)的核心，包括動臂、斗桿、鏟斗、液壓油缸等關(guān)鍵組件。動臂的設(shè)計(jì)特別重要，它通常采用輕質(zhì)高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，由多種厚度的鋼板焊接成箱形結(jié)構(gòu)，通過分段式設(shè)計(jì)如三段式翼板和多段式腹板優(yōu)化其承載能力和耐用性，如圖1（a）所示。使用UG軟件進(jìn)行動臂的參數(shù)化建模，這種設(shè)計(jì)方式允許按照鉸鏈孔的相對位置進(jìn)行精確裝配，從而確保挖掘機(jī)各部件協(xié)調(diào)運(yùn)作，如圖1（b）所示。此外，為簡化建模過程，回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置的模型被簡化處理，這樣有助于快速組裝挖掘機(jī)的三大主要裝置，構(gòu)成一個(gè)完整的三維結(jié)構(gòu)，也有助于直觀展示不同工作狀態(tài)下挖掘機(jī)各鉸鏈點(diǎn)的應(yīng)力情況，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。挖掘機(jī)整體建模裝配如圖1（c）所示。

2" " 液壓挖掘機(jī)動臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1" " 基于危險(xiǎn)工況的動臂有限元仿真分析

2.1.1" " 比選危險(xiǎn)工況

液壓挖掘機(jī)運(yùn)行時(shí)，會遭遇多種復(fù)雜的挖掘環(huán)境，需精準(zhǔn)分析其運(yùn)行狀況以識別潛在的風(fēng)險(xiǎn)工況。表2詳細(xì)分析了液壓挖掘機(jī)的不同工作特點(diǎn)和應(yīng)用場景。

在工況3中，液壓挖掘機(jī)各鉸鏈點(diǎn)受到的力差異顯著，使得此狀態(tài)成為最具挑戰(zhàn)性的危險(xiǎn)工況。由于其復(fù)雜性，需要進(jìn)行細(xì)致的力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)校驗(yàn)，確保挖掘機(jī)在操作過程中的安全性和效率。這種分析能幫助識別潛在的弱點(diǎn)和應(yīng)力集中區(qū)，從而進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)調(diào)整和強(qiáng)化，以適應(yīng)高負(fù)荷工作的需求。

2.1.2" " 動臂鉸接點(diǎn)受力分析

在液壓挖掘機(jī)的工作裝置分析中，采用X-Z平面作為參考基準(zhǔn)，編號并分析動臂、搖臂、油缸等部件的鉸接點(diǎn)，如圖2（a）所示。忽略偏載和鉸點(diǎn)摩擦影響，并假設(shè)所有情況處于靜止?fàn)顟B(tài)。通過將連桿、搖臂和油缸簡化為二力桿，應(yīng)用力矩平衡和力平衡原理，計(jì)算這些鉸接點(diǎn)在X和Z方向上的受力情況。針對動臂部分的具體分析，將動臂視為獨(dú)立部分，其他部分視為剛性整體。重點(diǎn)關(guān)注動臂鉸接點(diǎn)B、C、D、F的受力情況。由于所有鉸接力都在X-Z平面內(nèi)，因此可以通過這些鉸接點(diǎn)在X、Z方向上的分力進(jìn)行受力分析，如圖2（b）所示。下文以鉸接點(diǎn)F為分析中心，計(jì)算動臂與斗桿連接點(diǎn)F以及動臂與斗桿油缸連接點(diǎn)D承受的載荷，這樣有助于有效評估液壓挖掘機(jī)工作裝置在不同工況下的受力情況，從而進(jìn)行更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

為全面理解并分析液壓挖掘機(jī)工作裝置在各種工作狀態(tài)下的力學(xué)行為和穩(wěn)定性，根據(jù)液壓挖掘機(jī)工作裝置的力矩平衡和力平衡方程可得：

∑MF=∑FX=∑FZ=0" " " " " " " "（1）

式中：MF表示力矩；FX表示作用在X方向的力；FZ表示作用在Z方向的力。

這是液壓系統(tǒng)靜態(tài)平衡的基本條件，用于確保系統(tǒng)在任何給定條件下都處于平衡狀態(tài)?？紤]圖2中已知的各部件受力，可以將這些力值代入方程（1），展開求解，得到：

FWLW+

Gi×Li+FELE=0，

FEX+FWsin φ+FFX=0，

FEZ+FWsin φ+FFZ+

Gi=0" " " " " （2）

式中：FW、Gi、FE分別代表斗桿油缸的力、各部件的重力以及搖臂的外力；LW、Li和LE是相應(yīng)的作用距離；FEX、FEZ分別表示斗桿油缸與斗桿鉸接點(diǎn)E在X方向和Z方向上的受力；FFX、FFZ分別表示動臂與斗桿鉸接點(diǎn)F在X方向和Z方向上的受力；φ是鏟斗的挖掘角度。

各力的分量關(guān)系如下：

FEX=FEcos α，

FEZ=FEsin α" " " " " " （3）

式中：α是斗桿油缸傾斜角，鏟斗的挖掘角度和斗桿油缸傾斜角影響力的水平和垂直分量。

通過代入理論挖掘力、各組件自重以及作用點(diǎn)的力臂長度到上述力矩平衡和力平衡方程中，可以聯(lián)立求解得到以下力的分量：FEX、FEZ、FFX、FFZ。

此外，計(jì)算時(shí)，將斗桿油缸視為一個(gè)直桿?；谂ｎD第三定律，可知動臂與斗桿油缸的鉸接點(diǎn)D的載荷將與斗桿油缸與斗桿的鉸接點(diǎn)E的載荷在大小上相等，但方向相反。因此，可以得出動臂與斗桿油缸鉸接點(diǎn)D的受力：在X方向和Z方向上的力分別為FDX和FDZ。

選擇工況3進(jìn)行分析，此工況中，三個(gè)油缸協(xié)同作業(yè)，且鏟斗的切向挖掘力取動臂、斗桿和鏟斗三者中的最大理論挖掘力。通過將此最大挖掘力值及其他相關(guān)參數(shù)代入已有力學(xué)方程，可計(jì)算出此工況下的關(guān)鍵力學(xué)數(shù)據(jù)，具體如表3所示。

2.1.3" " 有限元仿真分析

在使用UG和ANSYS Workbench軟件創(chuàng)建并優(yōu)化動臂的三維模型后，采用Static Structural模塊進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析[3]。模型導(dǎo)入后，通過Design Modeler工具細(xì)化處理，并在Geometry中指定動臂材料屬性為結(jié)構(gòu)鋼Q345D，具體包括泊松比0.3，彈性模量206 000 MPa和屈服強(qiáng)度345 MPa。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，主要網(wǎng)格大小設(shè)為40 mm，關(guān)鍵區(qū)域如鉸接點(diǎn)和耳板處的網(wǎng)格則分別細(xì)化至10 mm和15 mm。此外，設(shè)置網(wǎng)格過渡為Slow，以優(yōu)化計(jì)算效率和精度。動臂的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

在進(jìn)行危險(xiǎn)工況下動臂的靜力學(xué)分析之前，首先需要調(diào)整坐標(biāo)系統(tǒng)，使之基于動臂模型而非挖掘機(jī)的基座。為準(zhǔn)確模擬鉸接點(diǎn)的力作用，本次采用了Bearing Load在鉸接點(diǎn)施加載荷，并考慮了動臂自重的影響，通過設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地球重力，將Z軸的重力方向設(shè)置為負(fù)[4]。此外，為了抵消結(jié)構(gòu)體兩端的輕微不平衡力，本次加入了弱彈簧來消除由這種不平衡造成的剛性位移，并模擬鉸接運(yùn)動。在遠(yuǎn)端位移設(shè)置中，對X、Y和Z方向的位移進(jìn)行了約束，具體設(shè)定如下：RotX、RotY和RotZ分別為0、自由和0。

通過求解方案，本次添加了等效應(yīng)力和總變形的分析，以獲取工況3下動臂的應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖4所示。為了便于進(jìn)行強(qiáng)度分析，在DM模塊中還特別添加了一個(gè)最大值指示標(biāo)，以突出顯示關(guān)鍵的應(yīng)力區(qū)域。

工況3下，動臂的最高應(yīng)力為284.57 MPa，低于安全極限345 MPa，主要集中在上翼板與耳板連接區(qū)；動臂與斗桿、油缸鉸接處也出現(xiàn)應(yīng)力集中。動臂的最大位移為5.586 2 mm，主要位于動臂前端，表明動臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性都符合設(shè)計(jì)及工作標(biāo)準(zhǔn)。

2.2" " 液壓挖掘機(jī)動臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

動臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

1）增厚耳板：為了減少耳板與上翼板連接處的應(yīng)力集中，耳板的厚度增加至50 mm。

2）動臂與斗桿鉸接處的結(jié)構(gòu)改進(jìn)：在動臂與斗桿鉸接處的兩側(cè)分別增加一個(gè)中空圓臺，圓臺尺寸如下：139 mm×145 mm×16 mm（上圓直徑×下圓直徑×高）。

3）動臂與油缸鉸接處的結(jié)構(gòu)改進(jìn)：與2）相類似，在動臂與動臂油缸鉸接處的兩側(cè)也各增加一個(gè)中空圓臺，圓臺尺寸如下：129 mm×140 mm×16 mm（上圓直徑×下圓直徑×高）。

這些措施旨在降低應(yīng)力集中，減少變形，從而提高動臂的工作性能，延長其使用壽命[5]。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

對優(yōu)化設(shè)計(jì)后的動臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲取優(yōu)化后的動臂結(jié)構(gòu)在最危險(xiǎn)工況（工況3）下的最大應(yīng)力、變形情況，如表4所示。

在工況3下，優(yōu)化后的動臂結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大變形值相比原結(jié)構(gòu)分別降低了約13%和6.2%。這一顯著的改進(jìn)不僅表明應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了有效消除，還說明優(yōu)化的結(jié)構(gòu)完全滿足材料的強(qiáng)度和剛度要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性和實(shí)用性。

3" " 結(jié)論

1）本研究使用UG/ANSYS軟件，以斗山品牌的中型液壓挖掘機(jī)為例，進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模與動臂優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）分析了三種典型運(yùn)行工況，識別出工況3（動臂油缸、斗桿油缸與鏟斗油缸協(xié)同作業(yè)）為最危險(xiǎn)工況，并對動臂鉸接點(diǎn)D、F在X、Z方向的分力進(jìn)行了計(jì)算。

3）工況3的靜力學(xué)分析表明，動臂最大應(yīng)力達(dá)到284.57 MPa，最大位移為5.586 2 mm，強(qiáng)度和剛度均符合要求。動臂耳板部位應(yīng)力最大，存在應(yīng)力集中。

4）對動臂耳板及其他薄弱部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使最大應(yīng)力和變形分別減少13%和6.2%，有效延長了設(shè)備的疲勞壽命，并為類似工程機(jī)械設(shè)計(jì)提供了實(shí)用的參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳霞，劉強(qiáng)，張淼.中型液壓挖掘機(jī)動臂多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證[J].工程機(jī)械，2024，55（4）：127-130.

[2] 張晉剛，劉世權(quán)，朱海濤，等.基于SYSWELD的新型動臂構(gòu)件焊接工藝仿真優(yōu)化[J].金屬加工（熱加工），2023（9）：52-55.

[3] 曹佳潭，劉學(xué)淵，郭子駿，等.基于ANSYS的綜合農(nóng)用車后立柱分析與優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2023，48（22）：80-84.

[4] 王亮，孫建華，劉柏森，等.基于UG建模的球類零件輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析探究[J].模具技術(shù)，2023（6）：68-75.

[5] 劉旋，萬一品，周宇杰，等.大型挖掘機(jī)工作裝置動臂結(jié)構(gòu)有限元仿真分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2022，35（6）：15-17.

收稿日期：2024-06-05

作者簡介：周磊（1984—），男，湖南常德人，建筑幕墻施工工程師，研究方向：高效能施工機(jī)械、模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化施工機(jī)械。