關于470型挖掘機動力學分析與結構優化探究

曹又可 包西余

山重建機有限公司

關于470型挖掘機動力學分析與結構優化探究

曹又可 包西余

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松土器作為挖掘機主要工作裝置之一，越來越廣泛使用。但在工程應用中，很多工況下，挖掘機松土器無法滿足工作需求。為了更好的研究松土器在工作過程中運動規律及受力特性，本文對470型挖掘機松土器進行了動力學及結構強度分析。

挖掘機；松土器；結構優化

前言

松土器是挖掘機至關重要的組成部分，對松土器進行動力學研究有利于我們對挖掘機有更多的了解。將三維模型導入ANSYSWorkbench軟件中，添加質量屬性參數和施加約束，建立虛擬樣機的仿真模型并進行各種機械動力學分析，得出松土器各工作部件在工作過程中的受力特性及輸出載荷，為進一步的分析做好準備。同時，根據松土器工作過程中的三種不同工況，對松土器進行結構強度分析，找出松土器在工作過程中受力較大的部位。最后，根據強度分析結果對松土器進行結構優化。

1 松土器動力學仿真分析

在進行動力學仿真時，設置挖掘機各個部件為剛體，則在分析過程中不存在變形問題，可以直接得出各個零部件在運動過程中的輸出載荷及受力狀態。

在分析過程中，首先確定各連桿，定義大臂與機架之間為固定約束，其余運動副設置為體與體之間的旋轉副，同時，定義液壓缸與液壓桿之間為移動副。并對液壓缸1和液壓缸2的移動副定義驅動函數，該函數為時間-位移函數，單位分別為s和m。

在前處理過程中，針對三種不同工況對松土器齒尖進行了載荷的施加，見表1。由于松土器懸掛端的左右為對稱布置，因此只求解一側連桿及曲柄的受力狀態即可。在后處理中，分別求解以下幾處運動副受力狀態：連桿與斗桿形成的旋轉副、連桿與松土器形成的旋轉副、連桿與曲柄形成的旋轉副及松土器與曲柄形成的旋轉副。

表1 松土器齒尖受力

圖1所示，為連桿與斗桿連接處的輸出載荷曲線，由圖可知，在松土器工作過程中，此處輸出載荷呈上升趨勢，其最大輸出載荷出現在強制提升工況下，最大輸出載荷為3.9072×105。

為連桿與曲柄連接處的輸出載荷曲線，由圖可知，連桿與曲柄連接處的輸出載荷大小及變化規律與連桿與斗桿連接處的輸出載荷完全相同。主要由于，在工作過程中，兩連接處屬于作用與反作用力的關系，因此，會出現這種情況。

(1)為曲柄與松土器連接處的輸出載荷曲線，曲柄與松土器連接處的輸出載荷整體呈上升趨勢，最大輸出載荷出現在強制提升工況，最大輸出載荷為1.1434×106kN。

(2)在松土器工作過程中，斗桿與松土器連接處的輸出載荷呈上升趨勢，在強制提升階段，載荷值增加較為明顯。最大輸出載荷為1.3937×106kN

綜上所述，利用ANSYSWorkbench對470型挖掘機松土器進行了動力學分析，得出了各個鉸鏈連接處的輸出載荷。通過分析可以發現，各鉸鏈連接處的最大輸出載荷均出現在強制提升階段。

圖1 連桿與斗桿連接處的輸出載荷曲線

2 松土器結構強度分析

松土器在水平入土階段受力小，因此只對水平入土和強制提升工況進行強度分析，在UG中將松土器轉換為.x_t格式，導入到ANSYSWork-bench。在ANSYSWorkbench中對其進行前處理，為方便網格的劃分并減小計算量，對此模型進行一些簡單處理，刪除如倒角一類的小平面體。再對此模型進行網格劃分，定義網格大小為0.003m，網格劃分的單元格數量為101293個，節點個數為175393個。

2.1 水平勾土階段強度分析

水平勾土階段，松土器齒尖受到的水平方向的阻力為416.304kN，豎直方向的阻力為204.30kN。對齒尖前端面處施加X向的水平載荷，齒尖下端面施加Y向的豎直載荷。對其進行求解，得出應力及應變情況如下。

水平勾土階段松土器最大變形區在齒尖處，其最大變形量為1.51mm由圖11可知，最大應力點出現在鉸鏈連接板與松土齒連接處。最大應力值為σmax=196.46MPa。結構鋼的屈服強度σs=250MPa，取安全系數為1.2，對于松土器有：

綜上可知，松土器在水平勾土階段的安全系數為1.27，雖然略大于結構鋼的屈服強度，但與結構鋼的屈服強度非常接近。為保證松土器在工作中的需求，應加強這兩處的結構強度。

2.2 強制提升階段強度分析

強制提升階段，松土器齒尖受到的水平方向的阻力為313.49kN，豎直方向的阻力為542.986kN。對齒尖前端面處施加Y向的豎直載荷，齒尖下端面施加X向的水平載荷。對其進行求解，得出應力及應變情況如下。水平勾土階段松土器最大變形區在齒尖處，其最大變形量為4.75mm最大應力點出現在鉸鏈連接板與松土齒連接處。最大應力值為σmax=206.6MPa。而結構鋼的屈服強度σs為250MPa，取安全系數為1.2，對于松土器有：

綜上可知，松土器在水平勾土階段的安全系數為1.21，基本等于結構鋼的屈服強度，已無法保證松土器正常工作。因此，應加強這兩處的結構強度，以更好的滿足工作要求。

3 松土器結構優化

根據結構強度分析，找出了松土器在工作過程中受力和變形較大的部位。為使松土器在松土過程中更有效地工作，在進行有限元分析的基礎上對松土器的結構進行優化設計。

3.1 鉸鏈連接板結構優化

由前節分析可知，松土器在三種工況下工作時，松土齒與底座連接處應力集中現象較為明顯，是容易產生變形和斷裂的部位。為減小應力集中，增強松土器的結構強度，增加底座厚度，由原來的60mm增加為65mm。

3.2 松土器齒尖結構優化

在前節分析中可知，隨著松土器在松土過程中阻力的增加，松土器齒尖處的變形量逐漸增大。尤其在強制提升階段，在松土器齒尖安裝標準套的連接孔處，其應力值已超出材料的屈服極限。結構無法滿足工作強度要求，現對松土器松土齒進行以下幾點改進：

(a)增加松土器松土齒的內外圓弧半徑，整體增大了松土齒的寬度，可以有效增強松土器在松土過程中的承受力。

(b)改變松土器齒尖標準連接孔的位置，增加連接孔與松土齒前端面的距離，保證連接孔與前端間的厚度滿足松土器的工作強度要求。

優化前后結構如圖 2 所示，優化前圓弧1半徑為1194mm，優化后半徑為1200mm。優化前圓弧2半徑為1053mm，優化后圓弧2半徑1063mm。松土器齒尖標準套上安裝孔由圖a位置后移30mm，增加其與松土齒前端面的距離。對優化后的結構，在水平勾土和強制提升工況做有限元分析計算，得到其安全系數分別提升到1.72和 1.50。改進后的結構滿足結構強度要求，驗證了結構優化的合理性。

圖2 松土齒結構優化

4 對470型挖掘機動力學總結分析

(1)對現有470型挖掘機進行動力學分析，得出松土器各鉸連接部位及工作部件在工作過程中的輸出載荷。得到了各曲柄、連桿及斗桿的受力特性。

(2)對松土器結構強度進行分析，找出了松土器在工作過程中受力及變形較大的部位。并根據分析結果對松土器結構進行了優化，有效增強了松土器結構強度。

5 結語

綜上所述，470型挖掘機動力學分析是一項非常繁雜且重要的工作，其中涉及到多個技術領域，需要研究人員運用科學的方法進行分析，唯有如此才能真正做到挖掘機松土器的優化。

[1]時培成，王幼民，王立濤，等.挖掘機液壓——機械復合系統建模與仿真研究[J].機械傳動，2007，31(3)：26－29.

[2]鄭建榮.虛擬樣機技術入門與提高[M].北京：機械工業出版社，2012.

上接(第1 5 6頁)表明，模塊設計主要關注以下四個方面：功能分解，明確每個模塊具備的功能；結構載體，不僅表現在對于結構形式的選取上，還包括模塊之間連接結構的處理上；協調接口，即不同結構單元如何銜接；整合，把不同的模塊整合成一個完整的建筑。

3.2 運用價值工程，優化結構體系的經濟性

結構功能的適用性，如根據運動項目確定場地的最小尺度和所需要的空間高度，根據座席數和視線要求等定出建筑物的跨度、長度和高度等；結構受力的合理性，指在各種荷載的作用下，有足夠的承載能力，保證結構在設計年限內正常使用；結構的環境效應，包括使用環保材料，節能設計，施工對環境的影響等；結構的美學效應，包括建筑造型，與環境的協調性等；可建造性，指工藝的復雜程度和構件的標準化程度等。影響結構體系的成本因素包括結構的建造成本和維護成本。通過計算不同結構體系的功能系數和成本系數，可以得出各結構體系的價值系數(=功能系數/成本系數)，選擇價值系數大于1的方案。

3.4 引入專業的投資咨詢機構，保證項目的投資控制

通過調查服務區域內的體育設施的供給和需求，明確場館的定位，區分場館的臨時空間和固定空間；參照相關技術規范，確定項目的建設規模及標準；參考同類型項目編制建設期投資估算，二次改造及拆除成本、運營期的收入及維護費用，制定合理的全壽命周期投資控制目標；動態監管由設計變更引發的壽命周期投資變動情況，并同時將建設期投資、改造成本、運營成本變動幅度告知項目業主和設計單位；制定臨時空間資產處置方案及固定空間運營成本控制措施等。

總而言之，通常情況下，建筑過程中包括四個部分：建筑策劃、建筑設計、建筑施工以及建筑投入使用，經過多年的探索和研究，建筑策劃與建筑設計之間的關系在這四個中是最為模糊的，因此很多人都無法正確的區分建筑策劃與建筑設計之間的區別和聯系，將二者混在一起。就目前而言，我國的建筑策劃與建筑設計之間的關系較為微妙，既不是包含也不是完全相離的，是相互影響相互交錯的關系，這就要求我們在以后的實際工作中必須對其實現進一步研究探討。

參考文獻：

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