液壓挖掘機工作裝置的動態強度仿真分析*

陳露豐，寧曉斌

（浙江工業大學 車輛工程研究所，浙江 杭州 310014）

0 引 言

液壓挖掘機工作裝置是完成液壓挖掘機各項功能的主要構件，是直接參與工作的部分，承受的載荷巨大且變化頻繁，其結構的合理性直接影響到液壓挖掘機的工作性能和可靠性。國內外學者通過動力學分析［1-3］和結構有限元分析［4］來驗證工作裝置的工作性能及可靠性。傳統的結構性能分析通常是采用在典型工況的狀態下來確定關鍵參數，計算載荷，在有限元中進行靜態強度分析［5-6］，這種分析方法不能完全地分析出挖掘機在工作循環中應力應變的變化。利用剛柔耦合模型則能更真實地反映系統本身的運動特性，精度往往更加符合要求的特點［7-11］。

本研究運用ADAMS和ANSYS建立挖掘機虛擬樣機模型，進行動力學仿真，并對其結果加以分析。

1 建立工作裝置虛擬樣機模型

正鏟挖掘機的工作裝置可以在水平面上施加較大的力，主要應用于挖掘停機面以上土壤和裝載爆破后的巖石或其他散裝物料，相較于反鏟挖掘機而言，其斗容與噸位大。下面建立其工作裝置模型。

虛擬樣機模型的建立主要分為兩個系統:機械系統以及液壓系統。機械系統的主要結構部件包括動臂、動臂液壓缸及其活塞桿、斗桿、斗桿液壓缸及其活塞桿、鏟斗、鏟斗液壓缸及其活塞桿等。機械系統建模，首先按照圖紙尺寸建立工作裝置的三維模型，將斗桿、動臂在ANSYS中生成模態中性文件；然后鏟斗部件導入ADAMS中，成為剛性體部件，液壓缸在ADAMS中建模，并導入斗桿、動臂的模態中性文件，形成柔性體部件，并添加約束施加作用力，機械模型如圖1所示。

圖1 工作裝置機械模型

工作裝置的液壓系統則在ADAMS中利用Hydrau?lics模塊建立，挖掘機工作裝置液壓模型如圖2所示。

圖2 工作裝置模型液壓模型

2 挖掘力性能分析研究

2.1 工作裝置挖掘力

挖掘機工作裝置挖掘力，是工作裝置性能最重要的衡量指標，正鏟液壓挖掘機的挖掘力是指工作液壓缸伸長時體現在斗齒尖上的、沿斗齒運動切線方向的主動作用力。液壓挖掘機的挖掘力一般包括以斗桿液壓缸為主動力挖掘時產生的挖掘力和以鏟斗液壓缸為主動力挖掘時產生的挖掘力兩種，在這里，將其稱為斗桿挖掘力（crowd force）和鏟斗挖掘力（break force）。而正鏟液壓挖掘機，通常以斗桿液壓缸挖掘為主；而使用鏟斗液壓缸挖掘是為了撕裂或撬動物料、調整切削角、裝滿鏟斗及卸料，不是主要挖掘方式。斗桿挖掘力是指斗桿液壓缸工作時體現在斗齒尖上的、沿斗齒運動切線方向的作用力。

挖掘機工作裝置斗桿挖掘時的受力分析如圖3所示，在不計傳動效率、回油壓力、及物料自重的假設前提下，斗桿挖掘力r分析如下。

圖3 斗桿油缸理論挖掘力計算簡圖

首先，隔離斗桿和鏟斗，對F點取矩建立的力矩平衡方程為:

式中:F2—斗桿液壓缸推力（kN），其值等于缸徑乘以系統壓力；e2—斗桿液壓缸對F點的作用力臂，m；—鏟斗液壓缸閉鎖狀態下所受的壓力，kN，其最大值取決于鏟斗液壓缸閉鎖壓力和大腔作用面積；鏟斗液壓缸對F點的作用力臂，m；Fa—斗桿挖掘力，kN；r2—斗桿挖掘力Fa對F點的作用力臂，m；G1—鏟斗自身的重力，N；G2—斗桿自身的重力，N；L1—鏟斗重力對F點的作用力臂，m；L2—斗桿重力對F點的作用力臂，m。

進一步隔離鏟斗，對Q點建立的力矩平衡方程為:

式中:r3—圖示平面內Q、V之距，m；γ—鏟斗斗刃（斗底前部）與QV連線的夾角，（°）；L'1—鏟斗重力對Q點的作用力臂，m。

合并式（1）和式（2），消去F3'，可得出斗桿挖掘力Fa（單位為kN，其數值等于斗桿液壓缸的挖掘阻力）的計算公式為:

同理，計算正鏟挖掘機工作裝置鏟斗挖掘力的工況如圖4所示，理論鏟斗挖掘力可通過隔離鏟斗對Q點建立力矩平衡方程求得。其計算公式為:

式中:F3—鏟斗液壓缸推力，kN，其值等于缸徑乘以系統壓力；e3—鏟斗液壓缸對Q點的作用力臂，m。

圖4 斗桿油缸理論挖掘力計算簡圖

2.2 斗桿最大挖掘力的普查

斗桿最大挖掘力是工作裝置在液壓系統作用下，能夠對物料產生最大的挖掘力。本研究模擬實際的挖掘工況，挖掘過程中的巖石設為彈簧，彈簧剛度設定為巖石剛度，來分析挖掘阻力。

如圖3所示，斗桿挖掘時，動臂液壓缸和鏟斗液壓缸閉鎖不動，其閉鎖壓力為40 MPa，斗桿液壓缸以32 MPa的主動液壓力往外推，受到彈簧力的限制，鏟斗挖掘力與彈簧拉力形成相互作用力，工作裝置會逐漸穩定于某一個位置。此時獲得的彈簧力數值可以認為等于斗桿油缸的挖掘力。斗桿挖掘力受鏟斗油缸、動臂油缸最大閉鎖力限制，調節鏟斗油缸長度，找出斗桿在這個位置的最大挖掘力。由于工作裝置機構在各個位置產生的最大挖掘力各不相同，將動臂油缸的行程范圍（4.3 m～7.2 m）中等分地取11個位置，對每個位置完整地進行斗桿挖掘力普查，測得工作裝置主要工作范圍內各個位置的斗桿最大挖掘力。當動臂油缸長度固定在某個位置的時候，對斗桿挖掘力進行的普查結果如表1所示。

表1 最大斗桿挖掘力普查結果

3 工作裝置動態強度仿真分析研究

斗桿最大挖掘力是挖掘機重要的性能指標，工作裝置的強度首先需要滿足斗桿以最大挖掘力挖掘時的要求；其次，斗桿挖掘以一定的效率工作，在挖掘過程中，工作裝置機構所收到的應力、應變，在不同的位置發生變化，需要考查工作裝置機構以一定的效率挖掘時，機構的強度情況；最后，工作裝置舉升過程中，機構需要快速克服物料重力，將鏟斗舉升到一定高度，也需要考查機構舉升過程的強度情況。為此，下面對工作裝置機構的斗桿、動臂進行強度分析。

3.1 工作裝置斗桿最大挖掘力工作時強度分析

挖掘機工作裝置的強度，首先，需要滿足斗桿以最大挖掘力挖掘時的要求，根據表1，選取斗桿挖掘力最大的第3組數據進行仿真分析。首先觀察挖掘力曲線的變化（如圖5所示），開始挖掘時，隨著斗桿油缸向前推進，挖掘力不斷變大，0.8 s到達峰值，隨后在一定的范圍內波動，在4.8 s之后穩定在1 178 kN的位置，此時的斗桿挖掘力為1 178 kN。觀察工作裝置上節點的應力變化情況，從斗桿上應力最大節點node-588（如圖6所示）自開始就迅速變大，隨后一直在較高的應力范圍內波動，在4.6 s時應力達到峰值，為2.057 85e2 MPa，動臂上應力最大的節點node-1458在0.8 s時達到峰值如圖7所示，為1.033 81e2 MPa。節點應力最大時刻工作裝置應力云圖如圖8所示。

3.2 工作裝置以一定效率進行挖掘舉升的強度分析

圖5 挖掘力變化曲線

圖6 斗桿node-588應力變化曲線

圖7 動臂node-1458應力變化曲線

圖8 以最大斗桿挖掘力挖掘4.62 s時應力分布

筆者對挖掘機工作裝置進行具有一定效率挖掘舉升的仿真研究，即動臂下放至固定位置，鏟調整鏟斗姿態，鏟斗插入物料；斗桿油缸閥門打開，進行挖掘，至斗桿油缸與鏟斗油缸的上限；閉鎖鏟斗與斗桿油缸，動臂油缸閥門打開舉升至動臂油缸上限。參照斗桿挖掘力普查中得到的最大挖掘力數據，經過多次試驗，將最大挖掘力乘以一個相應的系數作為挖掘阻力時，可以使得挖掘過程控制在10 s之內，是具有較高效率的挖掘過程。同時，對鏟斗質心處添加隨著時間線性增加物料的重力，挖掘過程結束認為鏟斗滿載，之后物料重力并保持不變至舉升過程結束。

圖9 挖掘過程應力云圖

圖10 舉升過程應力云圖

挖掘工況下工作裝置的應力云圖如圖9所示，舉升工況下工作裝置的應力如圖10所示。觀察工作裝置處于高應力分布區域節點的應力變化情況，挖掘過程開始時，斗桿與鏟斗鉸接處節點node-1141如圖11所示，斗桿墻板處節點node-2192如圖12所示，斗桿耳板處節點node-990如圖13所示，動臂耳板處節點node-5527（如圖14所示）都受到了挖掘阻力帶來的瞬間沖擊載荷，應力迅速變大，斗桿node-990在0.04 s時達到整個挖掘過程的峰值（如圖15所示）。隨著挖掘的深入，鏟斗內物料的增加，斗桿node-1141與2192，動臂node-5527應力逐漸增大。挖掘過程結束，挖掘阻力消失，動臂油缸打開，工作裝置在離開地面的瞬間受到來至物料重力的沖擊載荷，所以各個節點應力都在4.3 s～4.6 s發生了明顯的波動，動臂節點node-5527應力在此期間達到峰值（應力云圖如圖16所示），舉升過程中各處的應力在波動中逐漸變小至舉升結束。

圖11 斗桿node-1141應力變化曲線

圖12 斗桿node-2192應力變化曲線

圖13 斗桿node-990應力變化曲線

圖14 動臂node-5527應力變化曲線

圖15 斗桿node-990峰值時應力云圖

工作裝置工作過程中也有節點一直處于低應力狀態，如位于動臂上翼板區域節點node-3321（應力變化曲線如圖17所示）。

圖16 動臂node-5527峰值時應力云圖

圖17 動臂node-3321應力變化曲線

從以上仿真結果可以看出在挖掘以及舉升的工況下，工作裝置動臂和斗桿各個節點的應力變化趨勢。不管是以最大挖掘力進行挖掘還是以一定的效率挖掘，最大應力節點都位于斗桿的耳板處，舉升工況時最大應力節點位于動臂的耳板處，并且存在應力集中的現象。應力集中主要出現在與耳板相連接的斗桿與動臂根部（如圖15、圖16所示），在設計時應適當加大該位置倒角及鉸接孔的尺寸。斗桿的墻板，斗桿與鏟斗鉸接處的節點在不同的時間段都出現了高應力，對于這些部分，需要調整結構參數（如增加材料厚度）對結構加以強化，以減小應力，或者對材料表面作噴丸、輥壓、氧化等處理，以提高材料表面的疲勞強度。在挖掘以及舉升工況下，動臂的部分區域（如上翼板區域）一直處于一個相對較低的應力分布狀態，出現了應力上的富余，可以進行結構的簡化，以節約成本。

4 結束語

液壓挖掘機工作裝置在非線性挖掘阻力、油缸壓力的作用下，部件的應力都是一個復雜的變化過程。挖掘機工作裝置的剛柔耦合、機液耦合仿真模型，更為真實地模擬了工作裝置的實際工作情況，通過分析其在重力與負載作用下工作循環的動力學性能，提高了計算精度和效率，比典型工況分析方法更能全面反映工作裝置的受力及其強度狀況。通過對其工作裝置的挖掘，舉升過程的仿真分析，得到各個部件上詳細的應力分布情況及其數值變化情況，特別是不同的工況下節點應力的峰值，從而明確了應力集中分布區域以及應力富余區域，提出了相應的解決辦法。

該研究為進一步優化工作裝置零件結構提供了可靠依據，對提高挖掘機工作裝置可靠性和改善其工作性能有著積極的意義。

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