液压挖掘机动臂有限元分析研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com万方数据液压挖掘机动臂有限元分析研究口冯显松口杨为口魏攀科口段成财重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044摘要：以某液压挖掘机为研究对象，对其工作装置进行受力分析。使用Pro／Engineer软件对其动臂进行三维建模。运用Hypermesh软件创建动臂的有限元模型，在危险工况下，使用ANSYS软件对其进行静强度分析，得出动臂的应力和变形云图，从而为挖掘机的设计提供参考。关键词：液压挖掘机动臂有限元分析中图分类号：TU621文献标识码：B文章编号：1000—499

2、8(2011)07—0035—03挖掘机是一种重要的现代工程机械。广泛应用于道路、水利、采矿以及建筑等工程中，在国民经济与国家建设中起着十分重要的作用。由于产品更新换代的速度加快。缩短新产品的研发周期变得非常重要。对挖掘机工作装置进行有限元分析．提高研发效率，正符合这样的发展趋势[1]一[3】。本文对某液压挖掘机的工作装置进行受力分析．使用三维建模软件Pro／Engineer建立动臂的三维实体模型，应用网格划分软件HypelTnesh创建有限元模型。在危险工况下．使用ANSYS软件的静力分析模块对其进行

3、静强度分析。得出应力和变形较大的地方，为设计部门进一步优化设计提供参考。1工作装置简化模型的受力分析挖掘机有两种挖掘方式．一种是铲斗油缸主动挖掘，另一种是斗杆油缸主动挖掘．两种方式的受力分析方法相似。这里主要介绍铲斗油缸挖掘时的受力情况【4】。参照图1．利用数学及理论力学的解析方法推导出挖掘机的最大理论切向挖掘力。由各种闭锁条件所得出的切向挖掘力分别如下．1)由动臂油缸闭锁力决定的切向挖掘力E。，受动臂重量G，、斗杆重量G：、铲斗重量G，、动臂油缸受力蜀、及对A点的各力臂Z。。、k、k、e。、r。影响，

4、得：收稿日期：2011年1月盛机械制造49卷第563期El=(GlZAl+Gz^2+GZA3+jle1)／rl(1)2)由斗杆油缸闭锁力决定的切向挖掘力如，受G：、G，、斗杆油缸受力尼、及对B点的各力臂lB2,,k、e：、n影响，得：—F：2=(G2fm+GIm+赡2)，r2(2)3)铲斗油缸主动挖掘时的切向挖掘力R，受铲斗油缸的主动推力玛、G，、及对C点的力臂e3xk、r3影响．得：如=(G，lc3+F3e3)，r3(3)4)整机稳定性所限制的切向挖掘力．当挖掘机有前倾趋势时的切向挖掘力R，受G。、G

5、：、G。、机体重量G。、及对整机前支撑点的各力臂ZI。、如、ZB、Zw、r4影响，得：鼯(G。厶1+C鼬G如+G以)／r4(4)当挖掘机有后倾趋势时的切向挖掘力R，受G．、G2、G3、G。、及对整机后支撑点的各力臂h、如、如、k、r5影响，得：，毛=(Glk+G2612+GI_13+G4k)／r5(5)5)整机行走所限制的切向挖掘力R，受整机重量、行走部分与地面附着系数弘、切向挖掘力与水平方向的夹角a影响．得：R=(Gl+G2+G3+G4)∥cos0[(6)综合上述各种因素．取6个力中的最小值作为最大理

6、论切向挖掘力只，即：鼯min{一一，如，R，n，R，氏)(7)2动臂的有限元分析2．1建立实体模型设计对象实体模型的建立是非常重要的．它保证了有限元模型的准确性和可靠性。鉴于Pro／Engineer强大快捷的建模功能．本文选用Pro／Engilieer软件建立动臂的三维几何模型．为了方便有限元分析，使结果更可靠，可忽略小结构的几何体，如：细微的倒角、斜2011／7国学兔兔www.xuetutu.com万方数据面、小孔，焊接上的限位板等。22创建有限元模型动臂的上、下盖板．左、右侧板是由钢板组成的．最大厚

7、度是19⋯长宽方向的最小尺寸大干300mm．则它们的厚度小于最小尺寸的五分之一．根据有限元理论．将这艘部件抽取为薄壳．再进行有限兀模型划分．其它部件采用=维实体单，c进行划分8]。壳单元选用Shelll81单元．实体单元选用S01id45单元．壳单元畸实体单元通过点对点耦合．利用阿格划分软件HYP⋯sh进行上述操作。图2为动臂的有限元模型．共有127608个单元．132745个节点。动臂的材料选用Q235．参数见表l。女1I镕#■∞#料类型Ⅱ}#23选取计算工况液压挖掘机的各种．12况是一T动臂油缸、斗

8、杆油缸、铲斗油缸的不同伸缩状态组合而成需要确定危险工况．进行精确的强度校核才能使产品酷计具有实际意义．动臂的危险工况根据动臂可能出现最大弯矩的位置来确定．即动臂、斗杆油缸作用力臂最大，铲斗发挥最大挖掘力的位置。24确定边界蒂件为了消除总刚度矩阵的奇异性．必须消除动臂模型的刚体位移．可对某些节点加以约柬。其约束条件为：所加约束刚好消除全部刚体白由位移．或把约束改为刚度足够大的边界元，作为校核载荷平衡的补充办法㈧。对动臂与底心铰接处的以、u⋯u