基于有限元分析的挖掘機工作裝置耳板設計

苑春迎　陸勇志

摘要：闡述了挖掘機耳板的作用，基于有限元分析法，對挖掘機動臂耳板進行結構設計，分析其結構強度，旨在設計出符合工作要求的耳板。

關鍵詞：有限元；挖掘機；耳板

挖掘機在工程機械中占有舉足輕重的地位，廣泛應用于房屋建筑、道路工程、農田水利，市政工程，公路鐵路，機場港口、國防工程等領域機械化施工，對保證工程質量，提高工作效率起著十分重要的作用。

挖掘機利用工作裝置進行各種挖掘工作，挖掘機動臂和斗桿上分別有一對耳板，油缸以耳板為支撐做往復直線運動實現挖掘動作。耳板的設計質量直接影響到工作裝置的可靠性，一旦耳板工作失效將導致油缸不能正常工作，整個挖掘機工作故障。基于有限元分析，對設計的耳板進行強度校核，可以在設計之初發現問題，減少產品開發周期及成本，提高整機運行的可靠性。

1.耳板

圖1挖掘機工作裝置示意圖

圖1中④是挖掘機動臂耳板。

圖2為某噸位挖掘機耳板設計圖紙

圖2耳板設計圖

2.耳板所受載荷計算

油缸無桿腔缸徑：170mm

系統工作壓力：32Mp

耳板軸孔：100mm

板厚：35mm

材質：Q295B

選取工作時大腔進油，此時油缸的推力為工作中最大值：

根據牛頓第三定律，耳板軸孔受力為 。

3.有限元分析

Altair HyperMesh是世界領先的獨立于求解器的有限元分析前后處理平臺，擁有全面的CAD和CAE求解器接口，強大的幾何清理、網格劃分以及模型裝配功能。

對耳板進行實體網格劃分，共9629個單元，3008個節點。約束底面6個自由度，軸孔內受力面（軸孔內面積的一半，方向為油缸運動的反方向）施加壓強大小為：

（1）

利用Hyperworks自帶求解器Radios計算，分析結果顯示耳板最大變形為0.139mm，最大應力為304Mp。

以上結果可以看出，耳板在最大載荷情況下，應力304MP>295Mp，耳板進入塑性變形階段。在最大載荷工況下，鏟斗油缸安裝位置發生變化，工作裝置不能正常工作且易損壞油缸。即原設計強度達不到要求，根據公司鋼材規格，把耳板厚度增加到50mm，由公式（1）計算軸孔內施加的壓強P3為92.48MP。

修改載荷為92.48MP，其他約束不變，再次提交Radios計算。

計算結果顯示，耳板最大變形為0.1mm，最大應力217MP，圖3為計算應力云紋圖。

圖3最大應力217MP

據機械設計師手冊，Q295B在板厚35～50時，材料強度 不小于255MP，耳板在最大載荷情況下應力為217MP，所以50mm厚耳板強度滿足要求，結構設計安全，符合工作要求。

4.結論

基于有限元耳板設計，能在設計時準確的校核設計強度，保證結構的安全性；減少產品開發周期，為整個新產品開發節約成本。

參考文獻：

[1]李楚林，張勝蘭，馮櫻等.Hyperworks分析應用實例[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]吳宗澤.機械設計師手冊[M].北京：機械工業出版社， 2002.

[3]陳進，龐曉平等.單斗液壓挖掘機工作裝置關鍵技術研究[M].北京：科學出版社，2014.

作者簡介：

苑春迎（1984年～）男，河南周口人，碩士，助理工程師，研究方向：工程機械結構。

陸勇志（1985年～）男，廣西欽州人 碩士，助理工程師，研究方向：機電一體化。