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1、一种新型液压挖掘机工作装置设计1、 引言 近几年我国基础设施建设的快速发展,液压挖掘机在许多场合得到广泛应用,它在减轻繁重的体力劳动,保证工程质量,加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用,称为一种万能机械。工作装置是液压挖掘机主要组成部分之一,是直接完成挖掘任务的装置。液压挖掘机利用工作装置完成土石方挖掘作业,工作装置的性能是整机设计水平的重要标志。本文将对液压挖掘机的工作装置设计做相关研究。 2、 相关研究 液压挖掘机工作装置是由动臂、斗杆、铲斗和液压油缸等构成的连杆机构,其各部分的运动控制是通过电液控制系统控制液压油缸的伸缩来实现。经过多年的实际使用,发现了其一些设计上的不合
2、理的地方,工作装置结构经常出现以下形式的实效:斗杆断裂、销轴磨损和断裂、动臂撕裂和动臂缸支耳铸件圆角处开裂等等。相关学者和工程技术人员分析认为:工作装置机构合理与否关系到挖掘机整机工作性能和各个部件的使用寿命,所以挖掘机工作装置机构设计的最优化问题一直是业界十分重视的关键问题。尽管关于挖掘机工作装置机构特性的研究已经有很多,但是限于软件条件、硬件条件的限制,或者应用环节中的各种因素的限制,研究成果较少应用于工程实践。 3、工作装置设计需求 液压挖掘机工作装置由动臂机构、斗杆机构、铲斗机构三部分组成,是一种具有多自由度的工程机械。这些主要机构经常启动、制动、换向,外负载变化很大,工作条件恶劣,冲
3、击和振动多,因此对液压挖掘机的工作装置提出了较高的设计要求。在几何尺寸上,需要满足合理的挖掘力分布特性,在整个作业范围内的任何位置都要求实现最大挖掘力并不经济,而要求挖掘机在主要挖掘区内能实现最大挖掘力,必须满足停放和行走时的整机稳定性要求。在运动和动力特性上需要满足通常动作需求,在保证施工的前提下,适合各种运用工况。在结构强度上要满足工作装置各部分的受力的情况下,保证工作装置的强度和刚度特性,要求尽可能减少焊缝和变形,尤其是动臂、斗杆要改为焊铸结构,在应力较高的部位以铸代焊,提高结构件的冲击和疲劳强度。在经济性上,要达到最佳性价比。 4、工作装置设计理论基础 4.1. 概述 挖掘机工作装置轴
4、套配合处都为接触配合,都涉及到了边界条件非线性问题,即接触问题。接触问题是很普遍的一种非线性行为,它是状态变化非线性类型中一个特殊而重要的子集。当两个物体在边界发生接触时,接触面的大小及接触应力的大小,与接触面的初始间隙、摩擦力及载荷的大小有关。这种边界条件的不确定性和不可逆性,使接触应力的大小不再与外载荷成线性关系,并且应力状态与力的加载次序有关。由于边界状态在不断的变化,接触状态也随之不断变化,接触判别条件是判断物体接触状态的依据,在有限元非线性计算中至关重要。接触问题中,在两个或多个物体相连的地方,有一些联系这些物体表面位移和力的条件,叫做接触条件。通过接触条件,可以判断出两个或多个物体
5、之间的接触状态。目前,将接触状态分为三类,即连续边界、滑动边界和自由边界。接触约束算法就是通过对接触边界约束条件的适当处理,使有约束的极值问题变为无约束的极值问题。根据约束方法的不同,可以分为罚函数法、Lagrange乘子法、增广Lagrange乘子法。 4.2. 有限元模型建立 液压挖掘机工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗及油缸等组成,主要是依据已知的图纸数据在CATIA和UG三维建模软件中建立车架、动臂、斗杆及铲斗的几何模型。在建模过程中,去掉了螺纹孔、很小的不影响计算结果的倒角、运输吊耳等不影响计算结果,但却很耗费机时、工时的要素。在实际模型中焊缝处都按连续处理,其材料按照与母材相同处理。接
6、触问题可以分为刚体-柔体接触和柔体-柔体接触两种类型。在刚体-的接触问题中,接触面的一个和多个面被当成刚体,一般情况下,一种软材料和一种硬材料接触时,问题可以被假定为刚体-柔体接触;另一类是柔体-柔体接触,是一种更为普遍的类型,两个接触体都是变形体。 5. 优化设计 动臂、斗杆、铲斗及车架模型是依据装配图及相关的零件图,运用CATIA等三维建模软件建立的。建模过程中,对运输吊耳及焊缝进行了合理的简化。图1为优化设计的整体装配的几何模型。 由于工作装置的各个部分如动臂、斗杆、铲斗的实际结构主要是由薄钢板焊接成的,且几何模型很复杂,故这些部分在划分有限元模型时,单元类型选择三维实体单元Solid4
7、5。油缸采用Link8单元模拟。其中Solid45单元类型一般用于规则实体结构模型,有八个节点,每个节点有x、y、z三个方向的移动自由度。该单元有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变的性能。因此Solid45单元可以满足此计算的要求。最终的工作装置由动臂、斗杆、铲斗等部分装配而成,动臂和斗杆之间、斗杆和铲斗之间通过连接套和销轴连接。通过在相互接触的销轴表面和连接套表面采用三维接触单元,从而建立更精确的模拟整体工作装置的有限元模型。当液压系统激励频率和外力的作用频率接近工作装置的固有频率时都将引起系统的共振,使工作装置振动加剧。通过比较分析,得出:在多数工况下,连接盖根部及加强筋远离连接盖
8、一侧的应力都是最大的,连接盖在整个工作装置中是薄弱环节。在只承受扭转载荷时,抗扭截面模量最小的位置就是在扭转载荷作用下工作装置最薄弱的环节。在切向载荷作用下,斗杆上斗杆与动臂连接处、斗杆底板的应力很大,也是整个工作装置的薄弱环节。图2为优化前后挖掘区域内挖掘力的变化情况: 6. 结束语 根据得出的强度分析结果,对该型挖掘机工作装置的各组成部件进行了适当改进,例如:动臂的改进结构是在原结构上动臂内部加焊加强板和动臂支耳加焊加强板;斗杆的改进结构是在原设计的长斗杆的基础上将斗杆下底板加长,插入侧板,将斗杆与动臂连接处的加强板加大,将斗杆与动臂连接处的销轴加粗。按照改进前工作装置集成有限元分析的步骤,对改进后的工作装置再次进行整体强度分析,结果表明改进后工作装置薄弱部位的刚度和强度增大,应力及应变分布更加合理,提升了工作装置的设计水平,达到了改进设计的目的。