大型液压挖掘机工作装置结构有限元分析.pdf

曜亘团圆国圈l C O N S T R U C T I O N MA C H I N E R Y A N D MA N A G E ME N T 文章编号 1 0 0 0 0 3 3 X 2 0 l 6 0 1 - 0 1 0 2 0 4 大型液压挖掘机工作装置结构有限元分析 贺雨田 。 ， 吕彭民 ， 牛选平。 1 ．长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验 室 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ； 2 ．西安特种设备 检验检测院 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 5 ； 3 ．沃得重工 中国 有 限公 司， 江苏 镇江2 1 2 1 4 3 摘 要 为了研究液压挖掘机工作装置的结构强度对挖掘机使用寿命的影响， 针对某大型液压挖掘 机 工作装 置的 结构特 点 ， 在 对其 结构 简化的基 础上 ， 采 用 实体 单 元 、 板 壳单 元和 梁 单元 联 合 建模 方 式 ， 建立 了液压挖 掘机 工作 装置整 体有 限元模 型 。选择 了三种 典型 工况进 行 了结构 有限元 分析 ， 通 过 对不 同工况 下挖掘机 工作 装置 的应 力分析 和疲 劳强度评 估 ， 发 现 了该挖 掘 机 工 作装 置 静 强度 和 疲 劳强度 不足部 位 ， 并提 出 了挖掘 机 结构优 化改进 建议 。 关键 词 挖 掘机 ； 工作 装置 ； 有 限元 模 型 ； 使 用寿命 中图分类 号 U4 1 5 ． 5 1 文 献标 志码 B Fi ni t e El e m e nt An a l y s i s o f W o r k i ng De v i c e o f La r g e s i z e d Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r H E Yu t i an ～，LU Pe n g mi n ，NI U Xua n p i ng 。 1 ．Ke y L a b o r a t o r y o f Ro a d Co n s t r u c t i o n ＆ Eq u i p me n t o f MOE，Ch a n g’ a n Un i v e r s i t y，Xi ’ a n 7 1 0 0 6 4 ， Sha an xi ，Chi na； 2．Xi ’ a n Sp e c i a l Equ i p me nt I ns pe c t i o n I ns t i t u t i o n，Xi ’ a n 7 10 06 5，Sh a a nxi ，Chi n a； 3 ．Wo r l d He a v y I n d u s t r y Ch i n a Co ． 1 t d ．，Z h e n j i a n g 2 1 2 1 4 3，J i a n g s u，Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d on t he s t r uc t ur a l f e a t u r e s o f t he wo r ki n g d e v i c e o f a l a r ge s i z e d hy dr a u l i c e x c a va t o r ，t he f i n i t e e l e m e nt mo de 1 wa s s i mpl i f i e d a n d e s t a bl i s he d wi t h s ol i d e l e me nt s， pl a ne e l e me nt s a nd be a m e l e me n t s，a n d t h e f i ni t e e l e me nt a n a l y s i s wa s c a r r i e d o ut f o r t hr e e k i nd s o f t y p i c a l wo r ki n g c on di t i o ns ． Th 【 r ou gh s t r e s s a n a l ys i s of t h e wor k i ng d e v i c e und e r di f f e r e nt c on di t i o ns，a r e a s wi t h i n s u f f i c i e nt s t a t i c s t r e ng t h a nd f a t i gu e s t r e n gt h o f e x c a v a t o r we r e f ou nd， a n d a d vi c e f or e xc a v a t o r s t r u c t u r e o pt i m i z a t i o n wa s p r op o s e d． Ke y wo r d se x c a va t o r；wo r ki n g de vi c e；f i ni t e e l e m e nt mo de l ；s e r vi c e l i f e 0 引 言 对 于挖掘 机这 样 结 构较 为 复 杂 、 运 动 状态 多 变 的工程 机械而 言 ， 采用 常 规 的解 析 法 无 法 获得 结 构 局 部 的 应 力应 变 分 布 和 位 移 变 化 情 况 。通 过 有 限 元 计 算对 工 作装 置结 构 强 度 进 行 评 估 是 一 种 有 效 可 行 的 办 法 。近 年 来 ， 挖 掘 机 不 断 向大 型 化 方 向 发 展 ， 由于 大 型 挖 掘 机 的 作 业 条 件 和 工 作 环 境 较 为恶劣 ， 因此对其强度 、 刚度和可靠性等提出了更 高 的要 求 。 挖 掘机 工作装 置 是 由动臂 、 斗杆 和铲 斗 组成 的 收稿 日期 2 0 1 5 0 8 1 3 基金项 目 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 5 B AF 0 7 B 0 2 1 02 开链 杆件 系统 ， 它通 过 对 各 杆件 位 置 的调 整 实现 挖 掘 作业 。为 了获得 挖 掘 机工 作 装 置 的应 力 分 布 ， 可 以对动臂 、 斗杆 、 铲斗以及销轴等挖掘机的各个结构 进行单独分析 ， 但这种从整体中分离 的局部计算往 往 受到边 界条 件和 载 荷 的影 响 ， 当计 算 设 置 不合 理 时 ， 会影 响 结 果 的 准 确 性 _ l ] 。本 文 选 择 某 5 0 T 大 型挖掘 机为研 究对 象 ， 对 挖 掘 机工 作 装 置 简 化处 理 后 ， 建立 了工作装置结构整体的有限元模型， 通过典 型工况应力分析 ， 对计算结果进行了对 比评估 ， 给出 了结构 改进 建议 ， 为 挖掘 机 工 作装 置 设 计 提 供 了可 靠 数据 。 C0NS TRUCT 1 0N MACHI NER Y AND M ANAGE M E NT 厂 O m a x- G m i n 表 3 工作装置危险结构应 力分析结果 工作装置 最大应力／ 最小应力／ 平均应力／ 应力 幅值／ 结构 MP a MP a MP a MP a 铲斗 吊耳 4 5 5 ． 8 2 3 ． 3 2 3 9 ． 5 5 2 1 6 ． 2 5 ● 斗杆 吊耳 1 2 0 ． 1 1 ． O 6 0 ． 5 5 5 9 ． 5 5 斗杆尾端 1 4 1 ． 9 9 ． 2 7 5 ． 5 5 6 6 ． 3 5 动臂 吊耳 1 7 1 ． 1 2 ． 1 8 6 ． 6 0 8 4 ． 5 0 动臂尾端 2 7 4 ． 2 2 ． 4 1 3 8 ． 3 O 1 3 5 ． 9 0 4 结 语 1 采用实体单元 、 板壳单元 和梁单元建立 了 液压挖掘机工作装置整体有限元模型 ， 模型多处连 ∞ 。 0 3 ／ 图 6 Go o d ma n疲 劳 极 限 接部位建立了接触单元 ， 使有 限元模型更接近挖掘 机 的实 际情况 。 2 通过对 3种典型挖掘姿态进行结构有限元 分析 ， 获得 了在 3 种姿态下整体结构受力分布情况 ， 并计算得出挖掘机工作装置中不满足材料静强度的 部 位 。 3 利用 Go o d ma n疲 劳 极 限 图 对 挖 掘 机 工 作 装 置 的危 险部位 进 行 了疲 劳强 度 评 估 ， 为结 构 改 进 提供 了参 考依 据 。 参考 文献 [1 ] 杜文靖 ， 崔 国华 ， 刘小光． 液压挖 掘机工作装 置整体 集成有 限 元分析E J ] ． 农 、』 机械学报 ， 2 0 0 7 ， 3 8 1 0 2 0 2 3 ． 崔国华 ， 张艳伟 ， 张英爽． 土方机械工 作装置 整体结构 的强度 分析方法[ J ] ． 农业工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 4 1 1 5 7 1 6 1 ． 丁华 ， 朱茂桃 ， 赵剡水． 液压挖 掘机动臂 的有限元 分析[ J ] ． 中国公路学报 ， 2 0 0 3 ， l 6 4 1 1 8 - 1 2 0 ． 张仁敬．基于 ANS YS和 P r o E的 WY2 2挖 掘机工作装置的 分析[ D ] ． 沈 阳 东北大学 ， 2 0 0 8 ． 陈进 ， 李维波 ， 张石强 ， 等． 大型矿用正铲 液压挖掘机挖掘阻 力试验研究E J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 8 ， l 9 5 5 1 8 5 2 1 ． 郭立新 ， 王守春 ， 郑春歧 ， 等． 液压反铲挖 掘机工作装置有 限元 动态分析[ J ] ．中国机械工程 ， 2 0 0 0 ， 1 1 1 2 1 3 3 8 1 3 4 0 ． [ 责任编辑 杜卫华] 1 O 5