液壓挖掘機工作裝置應力測試與有限元分析

王海玲

（天津機電職業技術學院，天津 300350）

0 引言

液壓挖掘機在建筑、采礦及道路施工等工程領域有著廣泛的應用，由于工作環境的惡劣性，挖掘機結構件的強度和可靠性成為衡量挖掘機性能的重要指標，對此眾多的研究者采用多體動力學、有限元等工具對挖掘機動臂、斗桿等重要構件的強度展開仿真分析，但是缺乏仿真與工作裝置實際工況下的應力對比，難以確保有限元模型的準確性［1－3］。本文以某具體型號挖掘機為分析對象，采用貼電阻應變片的方法，對動臂和斗桿關鍵位置進行了應力測試，并通過ANSYS有限元軟件對其進行仿真計算，將仿真計算結果和測試值進行比對，以驗證有限元模型的正確性。

1 靜應力測試

1.1 測試方案

挖掘機應力測量裝置如圖1所示。挖掘機工作裝置的靜態應力測試采用在關心的位置貼電阻應變片的方法，通過數采設備收集測試點位置的應變，然后再根據力學原理換算為需要的應力值。挖掘機工作載荷利用拉壓傳感器進行加載，拉壓傳感器通過吊帶連接到挖掘機的鏟齒上，施加6×104N的拉力，力的位置和方向如圖1（a）中箭頭所示。整個應力測試系統還包括LMS的數采前端和Test.Xpress測試分析軟件，如圖1（b）所示。

采用貼應變片的方法進行結構靜應力的測試，測量結果受貼片技術、測試環境、測試系統誤差等諸多因素的影響。為了保證測量過程的合理性和測量設備的有效性，先做簡單的驗證實驗。首先在一個矩形試塊上貼片、做靜力測試，然后建立對應的有限元模型進行分析，當測試和有限元計算結果完全吻合后再實施本次測試工作。

圖1 挖掘機應力測量裝置

1.2 測試點布置

應力測試觀測點的布置要考慮挖掘機實際應用的損傷點，盡量將應變片布置在用戶關心的位置，比如動臂和斗桿上靠近鉸鏈的位置容易損壞，而斗桿底面靠近筋板的位置容易開裂。但是由于挖掘機結構很大部分是板材焊接件，而焊接位置材料的屬性較焊接前會發生很大的變化，目前有限元分析軟件對此類問題的數值求解精確性很差，所以貼片一定要避開板材焊接處。此外貼片應考慮將測試點布置于靜強度分析應力較大的位置，且盡量靠近板材的中心線，因為該處的應力變化比較均勻，能夠有效降低應力突變引起的測量誤差［4］。綜合考慮作業工況、理論計算、受力分析及實際貼片條件，對工作裝置靜力測試點做出如下布置：在挖掘機動臂和斗桿上各設置3個測試點，即在動臂上邊、下邊、側面布置測試點1、2、3，在斗桿上邊、下邊、側面布置測試點4、5、6，各測試點位置如圖2所示。此外，由于本實驗裝置和測試系統要同時進行挖掘機載荷譜的測試，實驗周期相對較長，要隨時關注由于應變片膠水老化、貼合面開裂等問題引起的測試誤差，一旦誤差超過允許值需要重新打磨貼片。

圖2 挖掘機測試點布置

2 有限元建模與分析

2.1 三維幾何模型建立

工作裝置主要由動臂、斗桿、鏟斗組件以及驅動油缸等構件組成，其中動臂和斗桿是最關鍵的承力部件，是有限元分析的重點，但是動臂和斗桿屬于焊接件，存在多處焊縫，因此要對其三維模型進行修復，消除小的間隙、尖角以及實體穿透等。動臂和斗桿三維模型及內部結構如圖3所示。

圖3 動臂斗桿三維模型

2.2 有限元模型及材料屬性

為保證有限元分析結果的正確性，有限元網格質量要滿足一定的要求，本次分析采用專業的有限元網格生成軟件HyperMesh進行網格劃分，采用ANSYS提供的實體單元Solid185對幾何模型進行網格劃分形成以六面體網格為主的有限元模型。ANSYS中網格質量主要利用skewness（偏斜率）來度量，動臂和斗桿網格的偏斜率數值如圖4所示。

由圖4可知：動臂的偏斜率最大為0.78，平均值為7.35×10－2；斗桿的偏斜率最大為0.95，平均值為6.18×10－2。根據skewness網格質量度量等級標準，0.95以下的為可接受，0.8以下的是較好的，0.5以下是優秀的，總體來說網格質量滿足要求。動臂和斗桿材料參數如表1所示。

圖4 動臂和斗桿網格質量

表1 動臂和斗桿材料參數

2.3 有限元模型約束及載荷

通常情況下，做靜力分析要在有限元模型中對結構添加與實際工況相一致的約束，如果結構約束非常復雜，模型中施加的約束不合理或者偏離實際的話，會導致有限元分析結果出現較大誤差。為了規避約束方式引入的分析偏差，采用ANSYS慣性釋放功能。慣性釋放是ANSYS中的一個高級應用，允許對完全無約束的結構進行靜力分析，實質上就是用結構的慣性力來平衡外力。盡管結構沒有約束，分析時仍假設其處于一種“靜態”的平衡狀態。采用慣性釋放功能進行靜力分析時，只需要對一個節點進行6個自由度的約束（虛支座），針對虛支座，程序首先計算在外力作用下每個節點在每個方向上的加速度，然后將加速度轉化為慣性力反向施加到每個節點上，由此構造一個平衡的力系（支座反力等于零），求解得到的位移描述所有節點相對于該支座的相對運動。

為了得到動臂和斗桿各鉸接點的載荷，在多體動力學軟件ADAMS中施加與試驗現場大小及方向均一致的載荷［5］，即按照圖1（a）在鏟斗齒間施加6×104N的力。經ADAMS計算得到的各鉸接點的載荷如圖5所示。

圖5 動臂和斗桿各鉸接點載荷

采用ANSYS慣性釋放功能計算得到動臂和斗桿的拉應力云圖，如圖6所示。由圖6可知：在當前工況下，動臂和斗桿整體應力分布比較均勻，動臂應力沿縱向由中間向兩端逐漸較小，斗桿應力較大區域出現在與動臂的鉸接點兩側；動臂的最大應力值出現在動臂上蓋板的耳板處，該處是動臂的危險截面，而斗桿的最大應力值出現在與動臂油缸的鉸接處，此處也是實際應用中的易損點。

圖6 動臂和斗桿應力云圖

6個測試點的有限元應力計算值如圖7所示，各測試點應力有限元仿真值與測試值對比如表2所示。

圖7 各測試點的應力值

由表2可知：各測點應力有限元仿真值與測試值最大誤差為測試點1處，差值為6.9%；最小誤差為測試點2處，差值為1.1%。這說明有限元靜應力分析與實測值不可避免地存在誤差，誤差來源于仿真模型與實際裝置的差異、貼片測量誤差、載荷計算誤差等因素。但是仿真與測試的誤差整體在7%以內，誤差比較小，故可以認為有限元模型能夠正確反映實際工況中結構的應力分布情況。

表2 各測試點應力有限元仿真值與測試值對比

3 結論

以某具體型號挖掘機為研究主體，采用貼電阻應變片的方法對動臂和斗桿關鍵點進行應力應變測試，并將有限元模型仿真計算結果與測試值做比對。分析結果表明：采用ANSYS慣性釋放功能可以很好地解決約束不當造成的應力集中和計算誤差的問題；有限元應力計算結果和測試結果吻合較好，可以作為挖掘機工作裝置改進和優化的參考依據。進一步工作是增加應力測試的貼片范圍和貼片數量，通過應力分布實驗數據進一步校準挖掘機有限元仿真模型，提高仿真計算的精度。