賀雨田++呂彭民++牛選平

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

關(guān)鍵詞：挖掘機；工作裝置；有限元模型；使用壽命

中圖分類號：U415.51 文獻標(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

對于挖掘機這樣結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、運動狀態(tài)多變的工程機械而言，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。通過有限元計算對工作裝置結(jié)構(gòu)強度進行評估是一種有效可行的辦法。近年來，挖掘機不斷向大型化方向發(fā)展，由于大型挖掘機的作業(yè)條件和工作環(huán)境較為惡劣，因此對其強度、剛度和可靠性等提出了更高的要求。

挖掘機工作裝置是由動臂、斗桿和鏟斗組成的開鏈桿件系統(tǒng)，它通過對各桿件位置的調(diào)整實現(xiàn)挖掘作業(yè)。為了獲得挖掘機工作裝置的應(yīng)力分布，可以對動臂、斗桿、鏟斗以及銷軸等挖掘機的各個結(jié)構(gòu)進行單獨分析，但這種從整體中分離的局部計算往往受到邊界條件和載荷的影響，當(dāng)計算設(shè)置不合理時，會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性[1- 2]。本文選擇某50T大型挖掘機為研究對象，對挖掘機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，對計算結(jié)果進行了對比評估，給出了結(jié)構(gòu)改進建議，為挖掘機工作裝置設(shè)計提供了可靠數(shù)據(jù)。

1 工況選擇與載荷確定

選擇液壓挖掘機工作裝置的計算工況參照《液壓挖掘機結(jié)構(gòu)強度試驗方法》（GB 9141—88）進行，選擇3種工況進行有限元分析，計算時主要考慮重力和切向力的作用。

工況1：動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和斗桿與動臂鉸點連線的延長線上。

工況3：動臂液壓缸全縮，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點和斗桿與動臂鉸點連線的延長線上，且三點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，選擇3種姿態(tài)下最不利的工況進行分析。根據(jù)作用力與反作用力原理，在3種姿態(tài)下挖掘機能提供的最大挖掘力就是挖掘機在挖掘機過程中所承受的最大挖掘阻力。經(jīng)計算，3種工況下挖掘機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行模型修復(fù)，但仍然容易出現(xiàn)疏漏，給計算帶來不利影響，而采用有限元軟件直接建模可以避免不必要的錯誤，因此本文采用有限元軟件進行整體建模。

2.1 挖掘機工作裝置結(jié)構(gòu)

1個鏟斗、2個工作臂（斗桿與動臂）、3組油缸和11根銷軸以及一些其他輔助零部件構(gòu)成了挖掘機的工作裝置。動臂、斗桿和鏟斗是挖掘機工作裝置的3個主體構(gòu)件，其中動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，是一個多處可轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)。

2.2 有限元模型簡化

對于有限元模型，合理簡化不僅可以提高計算效率，而且可以較為準(zhǔn)確地反映挖掘機各部位的受力情況。因而本文不考慮墊板、螺栓孔、油管孔和其他細微結(jié)構(gòu)對工作裝置的影響，所有焊接位置均視為等強度連接[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體單元；動臂、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體，鏟斗其余結(jié)構(gòu)均采用板殼單元；模型中對油缸進行了分割簡化，將油缸兩端與銷軸聯(lián)接的部位建成實體，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，建立實體面與實體面、實體面與線以及實體面與點的接觸關(guān)系。實體面與實體面的接觸主要是軸與軸套以及油缸的聯(lián)接；實體面與線的接觸是軸套與殼之間的聯(lián)接；實體面與點的接觸在實際結(jié)構(gòu)中是不存在的，它只是有限元模型計算采取的一種處理手段，將接觸單元引入計算，使有限元模型與挖掘機實際使用情況更為接近。

2.4 單元選擇及網(wǎng)格劃分

在進行單元劃分時，針對結(jié)構(gòu)特點，選取不同單元類型建立有限元模型[6]。挖掘機的主體結(jié)構(gòu)采用Shell63四邊形板殼單元進行分析，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，實體與實體之間的面面接觸采用Standard類型。固定約束施加在動臂與機架聯(lián)接的聯(lián)接軸上，載荷為鏟斗前端施加的均布切向力，動臂和動臂油缸尾端的2根支撐軸上施加固定約束，網(wǎng)格由軟件自動生成，共建立實體單元82 837個，殼單元18 241個，梁單元80個，接觸單元37 973個。

3 計算結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)強度設(shè)計

由于挖掘機的作業(yè)工況復(fù)雜，為了保證結(jié)構(gòu)強度，在設(shè)計時對不同工作臂結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)選擇不同。動臂在工作中相對比較平穩(wěn)，故安全系數(shù)相對較低；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)相對較高。為了保證挖掘機工作臂結(jié)構(gòu)強度的同一性，材料全部采用Q345，根據(jù)強度準(zhǔn)則公式（1），可以計算出工作臂各結(jié)構(gòu)的設(shè)計許用應(yīng)力，工作臂各結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)范圍和設(shè)計許用應(yīng)力范圍見表2。

σ=σbn（1）

式中：σb為材料的強度極限；n為安全系數(shù)。

3.2 整體強度分析

在工況1下，挖掘機工作裝置整體結(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，達到273.6 MPa，超出了鏟斗設(shè)計的許用應(yīng)力值，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鏟斗吊耳孔處，達到455. 8 MPa，超出了材料的強度極限，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)力分布在動臂與機架聯(lián)接部，整體結(jié)構(gòu)滿足強度要求，如圖5所示。由以上計算結(jié)果可知，該挖掘機在鏟斗吊耳處、彎板和側(cè)蓋板焊接部位應(yīng)力均超過了強度要求，應(yīng)進行結(jié)構(gòu)改進或補強，從而使其滿足靜強度要求。

3.3 疲勞強度評估

在挖掘機設(shè)計中引入疲勞強度評估，對挖掘機危險部位的安全性和可靠性提供重要保障的同時，還可以減輕強度余量過大部件或結(jié)構(gòu)的重量。根據(jù)挖掘機實際應(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工作裝置較為容易發(fā)生破壞的區(qū)域，本文針對上述結(jié)構(gòu)中鏟斗吊耳、斗桿吊耳、斗桿尾端、動臂吊耳和動臂尾端區(qū)域進行疲勞強度評估。

結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力選取工況1條件下的有限元計算結(jié)果，最小應(yīng)力選取工況1條件下僅有重力作用時的有限元計算結(jié)果，由公式（2）可以計算得出平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅值σa，工作裝置危險結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果值見表3。將表3各點繪制在Goodman疲勞極限圖中，由圖6可知，鏟斗吊耳處不能滿足疲勞強度，其余各點的應(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度要求。

4 結(jié) 語

（1） 采用實體單元、板殼單元和梁單元建立了液壓挖掘機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的實際情況。

（2） 通過對3種典型挖掘姿態(tài)進行結(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，并計算得出挖掘機工作裝置中不滿足材料靜強度的部位。

（3） 利用Goodman疲勞極限圖對挖掘機工作裝置的危險部位進行了疲勞強度評估，為結(jié)構(gòu)改進提供了參考依據(jù)。

參考文獻：

[1] 杜文靖，崔國華，劉小光.液壓挖掘機工作裝置整體集成有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007，38（10）：20- 23.

[2] 崔國華，張艷偉，張英爽.土方機械工作裝置整體結(jié)構(gòu)的強度分析方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24（1）：157- 161.

[3] 丁 華，朱茂桃，趙剡水.液壓挖掘機動臂的有限元分析[J].中國公路學(xué)報，2003，16（4）：118- 120.

[4] 張仁敬. 基于ANSYS和Pro- E的WY22挖掘機工作裝置的分析[D].沈陽：東北大學(xué)，2008.

[5] 陳 進，李維波，張石強，等.大型礦用正鏟液壓挖掘機挖掘阻力試驗研究[J].中國機械工程，2008，19（5）： 518- 521.

[6] 郭立新，王守春，鄭春歧，等.液壓反鏟挖掘機工作裝置有限元動態(tài)分析[J]. 中國機械工程，2000，11（12）：1338- 1340.

[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]