基于UG/ANSYS的液壓挖掘機動臂結構優(yōu)化設計

摘要：為增強挖掘機動臂性能，采用UG/ANSYS軟件，對斗山品牌中型液壓挖掘機的動臂結構進行了優(yōu)化設計與有限元仿真分析。首先進行了整體結構的參數(shù)化建模，隨后重點分析了三種典型的運行工況，以確定最危險的工況。在最危險的工況3下，詳細分析了動臂鉸接點的受力情況，并進行了靜力學仿真，從而對動臂結構進行了針對性優(yōu)化。最終，優(yōu)化設計顯著提高了動臂的結構強度和剛度，減少了最大應力和變形，有效延長了設備的疲勞壽命。該研究不僅增強了挖掘機動臂的性能，也為類似工程機械的優(yōu)化設計提供了寶貴的參考。

關鍵詞：液壓挖掘機；動臂優(yōu)化；有限元分析；結構強度；UG/ANSYS

中圖分類號：TU621" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0042-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.011

0" " 引言

液壓挖掘機作為工程機械中的重要設備，其性能直接影響工程效率和機械安全。動臂作為液壓挖掘機中承受復雜負載的關鍵部件，其設計優(yōu)化對提高整體機械性能具有決定性作用[1]。本研究選取斗山品牌的中型液壓挖掘機作為研究對象，采用UG和ANSYS軟件工具，基于動臂的危險工況分析和有限元仿真分析，對其結構進行了優(yōu)化設計。通過參數(shù)化建模和優(yōu)化分析，本研究旨在實現(xiàn)動臂結構的最優(yōu)性能，確保機械在復雜工況下的可靠性和安全性。

1" " 液壓挖掘機整體結構設計

1.1" " 性能參數(shù)

液壓挖掘機通過液壓泵轉換發(fā)動機動力，驅動關鍵部件如液壓馬達和缸體，實現(xiàn)作業(yè)設備的控制，具有較好的靈活性與廣泛的適用性。液壓挖掘機性能主要由操作重量、發(fā)動機功率及鏟斗容量三大參數(shù)決定[2]。本研究采用的是斗山品牌中型液壓挖掘機，詳細性能參數(shù)如表1所示。

液壓挖掘機操作過程大致如下：

1）位置移動：挖掘機通過行走馬達驅動行走裝置，移至作業(yè)位置。

2）挖掘動作：動臂油缸、斗桿油缸與鏟斗油缸協(xié)作，進行土石挖掘。

3）土石抬升：動臂油缸收縮，配合斗桿與鏟斗油缸操作，抬升挖掘物。

4）調整卸載方向：回轉臺通過回轉馬達調整，確保正確的卸載方向。

5）土石卸載：控制鏟斗與斗桿油缸動作，將土石卸至指定位置。

1.2" " 三部件參數(shù)化建模

液壓挖掘機主要由工作裝置、回轉裝置和行走裝置三個基本部分構成。工作裝置是挖掘機的核心，包括動臂、斗桿、鏟斗、液壓油缸等關鍵組件。動臂的設計特別重要，它通常采用輕質高強度的結構，由多種厚度的鋼板焊接成箱形結構，通過分段式設計如三段式翼板和多段式腹板優(yōu)化其承載能力和耐用性，如圖1（a）所示。使用UG軟件進行動臂的參數(shù)化建模，這種設計方式允許按照鉸鏈孔的相對位置進行精確裝配，從而確保挖掘機各部件協(xié)調運作，如圖1（b）所示。此外，為簡化建模過程，回轉裝置和行走裝置的模型被簡化處理，這樣有助于快速組裝挖掘機的三大主要裝置，構成一個完整的三維結構，也有助于直觀展示不同工作狀態(tài)下挖掘機各鉸鏈點的應力情況，從而驗證設計的合理性和結構的穩(wěn)定性。挖掘機整體建模裝配如圖1（c）所示。

2" " 液壓挖掘機動臂優(yōu)化設計

2.1" " 基于危險工況的動臂有限元仿真分析

2.1.1" " 比選危險工況

液壓挖掘機運行時，會遭遇多種復雜的挖掘環(huán)境，需精準分析其運行狀況以識別潛在的風險工況。表2詳細分析了液壓挖掘機的不同工作特點和應用場景。

在工況3中，液壓挖掘機各鉸鏈點受到的力差異顯著，使得此狀態(tài)成為最具挑戰(zhàn)性的危險工況。由于其復雜性，需要進行細致的力學分析和結構校驗，確保挖掘機在操作過程中的安全性和效率。這種分析能幫助識別潛在的弱點和應力集中區(qū)，從而進行必要的設計調整和強化，以適應高負荷工作的需求。

2.1.2" " 動臂鉸接點受力分析

在液壓挖掘機的工作裝置分析中，采用X-Z平面作為參考基準，編號并分析動臂、搖臂、油缸等部件的鉸接點，如圖2（a）所示。忽略偏載和鉸點摩擦影響，并假設所有情況處于靜止狀態(tài)。通過將連桿、搖臂和油缸簡化為二力桿，應用力矩平衡和力平衡原理，計算這些鉸接點在X和Z方向上的受力情況。針對動臂部分的具體分析，將動臂視為獨立部分，其他部分視為剛性整體。重點關注動臂鉸接點B、C、D、F的受力情況。由于所有鉸接力都在X-Z平面內，因此可以通過這些鉸接點在X、Z方向上的分力進行受力分析，如圖2（b）所示。下文以鉸接點F為分析中心，計算動臂與斗桿連接點F以及動臂與斗桿油缸連接點D承受的載荷，這樣有助于有效評估液壓挖掘機工作裝置在不同工況下的受力情況，從而進行更準確的設計和優(yōu)化。

為全面理解并分析液壓挖掘機工作裝置在各種工作狀態(tài)下的力學行為和穩(wěn)定性，根據液壓挖掘機工作裝置的力矩平衡和力平衡方程可得：

∑MF=∑FX=∑FZ=0" " " " " " " "（1）

式中：MF表示力矩；FX表示作用在X方向的力；FZ表示作用在Z方向的力。

這是液壓系統(tǒng)靜態(tài)平衡的基本條件，用于確保系統(tǒng)在任何給定條件下都處于平衡狀態(tài)。考慮圖2中已知的各部件受力，可以將這些力值代入方程（1），展開求解，得到：

FWLW+

Gi×Li+FELE=0，

FEX+FWsin φ+FFX=0，

FEZ+FWsin φ+FFZ+

Gi=0" " " " " （2）

式中：FW、Gi、FE分別代表斗桿油缸的力、各部件的重力以及搖臂的外力；LW、Li和LE是相應的作用距離；FEX、FEZ分別表示斗桿油缸與斗桿鉸接點E在X方向和Z方向上的受力；FFX、FFZ分別表示動臂與斗桿鉸接點F在X方向和Z方向上的受力；φ是鏟斗的挖掘角度。

各力的分量關系如下：

FEX=FEcos α，

FEZ=FEsin α" " " " " " （3）

式中：α是斗桿油缸傾斜角，鏟斗的挖掘角度和斗桿油缸傾斜角影響力的水平和垂直分量。

通過代入理論挖掘力、各組件自重以及作用點的力臂長度到上述力矩平衡和力平衡方程中，可以聯(lián)立求解得到以下力的分量：FEX、FEZ、FFX、FFZ。

此外，計算時，將斗桿油缸視為一個直桿。基于牛頓第三定律，可知動臂與斗桿油缸的鉸接點D的載荷將與斗桿油缸與斗桿的鉸接點E的載荷在大小上相等，但方向相反。因此，可以得出動臂與斗桿油缸鉸接點D的受力：在X方向和Z方向上的力分別為FDX和FDZ。

選擇工況3進行分析，此工況中，三個油缸協(xié)同作業(yè)，且鏟斗的切向挖掘力取動臂、斗桿和鏟斗三者中的最大理論挖掘力。通過將此最大挖掘力值及其他相關參數(shù)代入已有力學方程，可計算出此工況下的關鍵力學數(shù)據，具體如表3所示。

2.1.3" " 有限元仿真分析

在使用UG和ANSYS Workbench軟件創(chuàng)建并優(yōu)化動臂的三維模型后，采用Static Structural模塊進行靜態(tài)力學分析[3]。模型導入后，通過Design Modeler工具細化處理，并在Geometry中指定動臂材料屬性為結構鋼Q345D，具體包括泊松比0.3，彈性模量206 000 MPa和屈服強度345 MPa。網格劃分采用四面體網格，主要網格大小設為40 mm，關鍵區(qū)域如鉸接點和耳板處的網格則分別細化至10 mm和15 mm。此外，設置網格過渡為Slow，以優(yōu)化計算效率和精度。動臂的網格劃分結果如圖3所示。

在進行危險工況下動臂的靜力學分析之前，首先需要調整坐標系統(tǒng)，使之基于動臂模型而非挖掘機的基座。為準確模擬鉸接點的力作用，本次采用了Bearing Load在鉸接點施加載荷，并考慮了動臂自重的影響，通過設置標準地球重力，將Z軸的重力方向設置為負[4]。此外，為了抵消結構體兩端的輕微不平衡力，本次加入了弱彈簧來消除由這種不平衡造成的剛性位移，并模擬鉸接運動。在遠端位移設置中，對X、Y和Z方向的位移進行了約束，具體設定如下：RotX、RotY和RotZ分別為0、自由和0。

通過求解方案，本次添加了等效應力和總變形的分析，以獲取工況3下動臂的應力云圖和位移云圖，如圖4所示。為了便于進行強度分析，在DM模塊中還特別添加了一個最大值指示標，以突出顯示關鍵的應力區(qū)域。

工況3下，動臂的最高應力為284.57 MPa，低于安全極限345 MPa，主要集中在上翼板與耳板連接區(qū)；動臂與斗桿、油缸鉸接處也出現(xiàn)應力集中。動臂的最大位移為5.586 2 mm，主要位于動臂前端，表明動臂的結構強度和剛性都符合設計及工作標準。

2.2" " 液壓挖掘機動臂結構優(yōu)化設計

動臂結構的優(yōu)化設計主要包括以下幾個關鍵點：

1）增厚耳板：為了減少耳板與上翼板連接處的應力集中，耳板的厚度增加至50 mm。

2）動臂與斗桿鉸接處的結構改進：在動臂與斗桿鉸接處的兩側分別增加一個中空圓臺，圓臺尺寸如下：139 mm×145 mm×16 mm（上圓直徑×下圓直徑×高）。

3）動臂與油缸鉸接處的結構改進：與2）相類似，在動臂與動臂油缸鉸接處的兩側也各增加一個中空圓臺，圓臺尺寸如下：129 mm×140 mm×16 mm（上圓直徑×下圓直徑×高）。

這些措施旨在降低應力集中，減少變形，從而提高動臂的工作性能，延長其使用壽命[5]。優(yōu)化后的結構設計如圖5所示。

對優(yōu)化設計后的動臂結構進行靜力學分析，獲取優(yōu)化后的動臂結構在最危險工況（工況3）下的最大應力、變形情況，如表4所示。

在工況3下，優(yōu)化后的動臂結構最大應力和最大變形值相比原結構分別降低了約13%和6.2%。這一顯著的改進不僅表明應力集中現(xiàn)象得到了有效消除，還說明優(yōu)化的結構完全滿足材料的強度和剛度要求，進一步驗證了優(yōu)化設計的有效性和實用性。

3" " 結論

1）本研究使用UG/ANSYS軟件，以斗山品牌的中型液壓挖掘機為例，進行了整體結構的參數(shù)化建模與動臂優(yōu)化設計。

2）分析了三種典型運行工況，識別出工況3（動臂油缸、斗桿油缸與鏟斗油缸協(xié)同作業(yè)）為最危險工況，并對動臂鉸接點D、F在X、Z方向的分力進行了計算。

3）工況3的靜力學分析表明，動臂最大應力達到284.57 MPa，最大位移為5.586 2 mm，強度和剛度均符合要求。動臂耳板部位應力最大，存在應力集中。

4）對動臂耳板及其他薄弱部位進行結構優(yōu)化，使最大應力和變形分別減少13%和6.2%，有效延長了設備的疲勞壽命，并為類似工程機械設計提供了實用的參考。

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收稿日期：2024-06-05

作者簡介：周磊（1984—），男，湖南常德人，建筑幕墻施工工程師，研究方向：高效能施工機械、模塊化與標準化施工機械。