黃鳴輝,黃冠雅,孫中林,邱清盈,王 輝

(1.國(guó)機(jī)重工(常州)挖掘機(jī)有限公司,江蘇 常州 213136; 2.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310027)

考慮作業(yè)動(dòng)態(tài)特性的挖掘機(jī)工裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

黃鳴輝1,黃冠雅2,孫中林1,邱清盈2,王 輝1

(1.國(guó)機(jī)重工(常州)挖掘機(jī)有限公司,江蘇 常州 213136; 2.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310027)

為更準(zhǔn)確地分析挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度,對(duì)挖掘過(guò)程中由結(jié)構(gòu)變形、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性、復(fù)合動(dòng)作挖掘等產(chǎn)生的作業(yè)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析,建立了綜合考慮這些動(dòng)態(tài)特性的工作裝置剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型.利用ADAMS和ANSYS對(duì)動(dòng)臂和斗桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的瞬態(tài)分析,應(yīng)力分析結(jié)果與利用應(yīng)變花進(jìn)行實(shí)際測(cè)試,應(yīng)力值之間的誤差小于10%.說(shuō)明綜合考慮作業(yè)動(dòng)態(tài)特性的瞬態(tài)分析結(jié)果,能夠反映實(shí)際挖掘過(guò)程中的應(yīng)力變化情況,從而為工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有效的參考依據(jù).

瞬態(tài)分析; 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度; 工作裝置; 液壓挖掘機(jī)

挖掘機(jī)長(zhǎng)期在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下連續(xù)工作,因此，挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一直是用戶(hù)最為關(guān)心的性能指標(biāo)之一.目前工作裝置強(qiáng)度分析一般參照國(guó)標(biāo)規(guī)定的“液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法”,選取若干典型工況進(jìn)行靜態(tài)有限元強(qiáng)度分析[1].為更合理地確定計(jì)算載荷,周渠梁[2]運(yùn)用圖譜疊加法分析挖掘法切阻力比，以確定最大挖掘力進(jìn)行強(qiáng)度分析;魏振凱等[3]提出了一種以工作裝置各鉸點(diǎn)載荷最大來(lái)確定危險(xiǎn)工況的策略;周宏兵等[4]基于ADAMS仿真技術(shù)確定鉸點(diǎn)受力,進(jìn)行多工況靜強(qiáng)度分析.為避免將工作裝置各構(gòu)件單獨(dú)分析時(shí)因簡(jiǎn)化而造成誤差,杜文靖等[5]對(duì)工作裝置進(jìn)行整體建模和靜強(qiáng)度分析.為獲得工作裝置在整個(gè)挖掘過(guò)程中的強(qiáng)度變化情況,周全等[6]采用離散元技術(shù)對(duì)工作裝置強(qiáng)度進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析;張衛(wèi)國(guó)等[7]以實(shí)際測(cè)試得到的挖掘過(guò)程油缸壓力為依據(jù),對(duì)工作裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和疲勞分析;魏攀科[8]通過(guò)建立挖掘土壤模型,對(duì)工作裝置進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析.

本文綜合考慮挖掘機(jī)在挖掘過(guò)程中，存在的工作裝置剛?cè)狁詈袭a(chǎn)生的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度變化產(chǎn)生的慣性以及復(fù)合挖掘的載荷不確定性等動(dòng)態(tài)特性,以便在工作裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)能夠更全面準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況.

1 作業(yè)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析

液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂和斗桿為箱型結(jié)構(gòu),它們的長(zhǎng)度都遠(yuǎn)大于其截面尺寸,構(gòu)件的剛度較小,在挖掘力載荷作用下會(huì)產(chǎn)生較大的變形,從而對(duì)工作裝置的受力產(chǎn)生影響.

慣性對(duì)作業(yè)過(guò)程的影響源自于動(dòng)臂、斗桿和鏟斗在挖掘時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度動(dòng)態(tài)變化.雖然3組油缸可視為勻速移動(dòng),但平臺(tái)-動(dòng)臂、動(dòng)臂-斗桿、斗桿-鏟斗之間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是非勻速的,如圖1所示.由于動(dòng)臂和斗桿的質(zhì)量較大,由此產(chǎn)生的慣性力不容忽視.

圖1 作業(yè)過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度Fig.1 Rotating angular velocity during operation process

實(shí)際的挖掘過(guò)程是由3組油缸的復(fù)合動(dòng)作完成.這時(shí)鏟斗與土壤的作用力,由于同時(shí)存在斗桿挖掘和鏟斗挖掘,比傳統(tǒng)理論分析時(shí)的單油缸動(dòng)作要復(fù)雜,較難確定實(shí)際挖掘力方向和大小.

因此，為了更合理準(zhǔn)確地分析工作裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,應(yīng)采用柔性多體動(dòng)力學(xué)建模方法,參照挖掘機(jī)實(shí)際挖掘過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析.

2 工作裝置瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

以企業(yè)中20 t級(jí)挖掘機(jī)為例,在動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中,建立了工作裝置的剛?cè)狁詈隙囿w模型,如圖2所示.在建模時(shí)將動(dòng)臂和斗桿處理為柔性體,而鏟斗、連桿等零部件仍為剛體,這樣在一定程度上可減小復(fù)雜度,縮短仿真時(shí)間.

仿真時(shí),在鏟斗斗緣施加由土壤挖掘分析模型計(jì)算得到的土壤阻力[9],采用復(fù)合動(dòng)作挖掘方式.具體從開(kāi)挖位置開(kāi)始的動(dòng)作過(guò)程為:0～1 s動(dòng)臂缸勻速收縮;0～6 s斗桿缸勻速伸出;1～6 s鏟斗缸勻速伸出;6 s之后為回轉(zhuǎn)卸土.這樣在挖掘仿真時(shí)0～1 s動(dòng)臂和斗桿復(fù)合動(dòng)作,1～6 s斗桿和鏟斗復(fù)合動(dòng)作.

圖2 挖掘機(jī)工作裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.2 Flexible multi-body model of excavator working device

仿真得到的動(dòng)臂和斗桿各鉸點(diǎn)力如圖3所示,其中鉸點(diǎn)C,B,D,F分別為動(dòng)臂-上車(chē)平臺(tái)(C)、動(dòng)臂-動(dòng)臂油缸(B)、動(dòng)臂-斗桿油缸(D)、動(dòng)臂-斗桿(F)之間的鉸接孔,鉸點(diǎn)E,G,N,Q分別為斗桿-斗桿油缸(E)、斗桿-鏟斗油缸(G)、斗桿-連桿(N)、斗桿-鏟斗(Q)之間的鉸接孔.

圖3 工作裝置多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果Fig.3 Multi-body dynamics simulation results of working device

根據(jù)上述鉸點(diǎn)力,結(jié)合ANSYS對(duì)動(dòng)臂和斗桿進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,得到應(yīng)力結(jié)果如圖4所示.其中動(dòng)臂應(yīng)力較大的區(qū)域主要分布在鉸點(diǎn)C和鉸點(diǎn)B附近,在t=1.9 s時(shí)刻應(yīng)力值達(dá)到最大為163.88 MPa;斗桿應(yīng)力較大的區(qū)域主要分布在鉸點(diǎn)G的耳板內(nèi)側(cè)和鉸點(diǎn)F附近,在t=4.8 s時(shí)刻應(yīng)力值達(dá)到最大為157.68 MPa.

圖4 工作裝置挖掘過(guò)程瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果Fig.4 Transient dynamics analysis results of working device during mining process

3 測(cè)試比較

為與實(shí)際工作時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比,作者采用直角應(yīng)變花在動(dòng)臂和斗桿上分別布置了8個(gè)和6個(gè)測(cè)點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)力實(shí)測(cè)如圖5所示.將實(shí)測(cè)應(yīng)力與瞬態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖6所示為測(cè)點(diǎn)4和14的對(duì)比,其中測(cè)點(diǎn)4為斗桿側(cè)板靠近鉸點(diǎn)F附近,測(cè)點(diǎn)14為動(dòng)臂側(cè)板靠近鉸點(diǎn)C附近.

通過(guò)對(duì)比,整體上可以看到:挖掘過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的仿真值與測(cè)試值的變化趨勢(shì)基本一致,誤差值在10%以?xún)?nèi).由此可以說(shuō)明:綜合考慮作業(yè)動(dòng)態(tài)特性的瞬態(tài)分析結(jié)果，能夠反映實(shí)際挖掘過(guò)程中的應(yīng)力變化情況.

圖5 工作裝置應(yīng)力實(shí)測(cè)Fig.5 Stress test of working device

圖6 工作裝置應(yīng)力測(cè)試值與仿真值對(duì)比Fig.6 Stress test values compared with the simulation values of working device

4 結(jié)語(yǔ)

基于多體動(dòng)力學(xué)理論,綜合考慮挖掘過(guò)程中結(jié)構(gòu)剛?cè)狁詈?、慣性和復(fù)合挖掘等動(dòng)態(tài)特性,利用ADAMS和ANSYS對(duì)動(dòng)臂和斗桿進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,獲得的強(qiáng)度結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性.因此，可以較準(zhǔn)確地體現(xiàn)實(shí)際挖掘過(guò)程中的應(yīng)力變化情況,為工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有效的參考依據(jù).

除了本文所考慮的作業(yè)動(dòng)態(tài)特性之外,挖掘機(jī)在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，還受其他一些動(dòng)態(tài)因素影響,例如液壓系統(tǒng)的沖擊和振動(dòng),因此，后續(xù)可進(jìn)一步深入研究,更全面地考慮各種動(dòng)態(tài)因素,以使理論分析結(jié)果與實(shí)際情況更加相符,從而對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)指導(dǎo)更有參考價(jià)值.

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Structure strength analysis of working device of hydraulic excavator considering dynamic working characteristics

HUANGMinhui1,HUANGGuanya2,SUNZhonglin1,QIUQingying2,WANGHui1

(1.SINOMACH-HI(Changzhou)Excavator Co.,Ltd.,Changzhou 213136,Jiangsu,China; 2.State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

The dynamic working characteristics caused by the structural deformation,rotation inertia and compound action of a hydraulic excavator during its excavating process are analyzed to obtain a more accurate analysis of the working device’s structure dynamic strength.A rigid-flexible coupling multi-body dynamic model of the working device is established to consider these dynamic characteristics comprehensively.The structure stress of the boom and arm is obtained through the transient analysis in ADAMS and ANSYS,and the stress error is less than 10% compared with the actual testing value obtained with strain rosette.Therefore the transient analysis result that considers the dynamic working characteristics can reflect the actual stress change of the working device during the excavating process,thereby provide the effective references to the structural design and optimization of the working device.

transient analysis; structure strength; working device; hydraulic excavator

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAF07B04)

黃鳴輝(1981—),男,高級(jí)工程師.E-mail:hmh@sinomach-hi.com

TU 621

A

1672-5581(2017)05-0426-04