（机械电子工程专业论文）挖掘机平台有限元分析及回转液压系统仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，小型液压挖掘机行业有着突飞猛进的发展，从工程机械行业的新 宠发展成为中国工程机械市场中举足轻重的机型。随着我国经济建设的发展， 对其需求量越来越大，对其性能的要求也越来越高。目前，国内挖掘机生产企 业主要依据经验及类比的方法来进行设计，再通过样机试验来发现问题。这既 花费了大量的时间和精力，又存在巨大的经济风险。采用有限元法对挖掘机进 行结构强度研究，是提高设计质量的重要途径。回转机构是挖掘机重要的机构 之一，其动态特性直接影响整个挖掘机的工作性能，因此对其进行研究有着重 要的意义。 本文以普什重型机械有限公司开发的p z 7 0 小型液压挖掘机作为研究对象， 通过系统的分析研究，完成以下内容： ( 1 ) 完成小型液压挖掘机回转平台的设计，基于u g 实现挖掘机整机三维模 型的装配。 ( 2 ) 选择挖掘机在作业循环中两种典型的工况，对其进行受力分析，并用 n xn a s t r a n 对平台进行有限元分析，对平台的结构提出改进意见。 ( 3 ) 完成了基于h l e s i m 软件的挖掘机回转液压系统的仿真建模，通过在样 机的试验研究验证仿真模型。 ( 4 ) 对回转液压系统动态特性进行了仿真，并分析了影响动态特性的主要 因素。对挖掘机回转液压系统进行了改进设计，从而降低回转制动冲击。 本文成功建立了挖掘机平台有限元模型与回转液压系统仿真模型，并进行 了计算分析，其研究成果为指导小型液压挖掘机平台、回转液压系统的改进和 设计提供了理论基础，同时将仿真技术引入到挖掘机设计当中，具有广泛的应 用前景。 关键词：小型液压挖掘机；平台；有限元；回转液压系统；仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s m a l lh y d r a u l i ce x c a v a t o r sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y t h e r e q u i r e m e n tf o rb o t ht h eq u a n t i t ya n dt h ep e r f o r m a n c eo fe x c a v a t o rh a s b e c o m ei n c r e a s i n g l yh i g h e r a tp r e s e n t ，p e o p l eu s u a ll yd e s i g nh y d r a u li c s y s t e mo fc r a w l e rc r a n eb ye x p e r i e n c ea n da n a l o g y ，a n dt h e nf i n dp r o b l e m s a f t e rt h ep r o t o t y p em a c h i n et e s ti nt h ed o m e s t i cm a n u f a c t o r i e s i tn o t o n l yc o s t sm u c ht i m ea n de n e r g yb u ta l s oc o n t a i n se n o r m o u se c o n o m yr i s k t h es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n a l y s i so fe x c a v a t o r sw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d i sa ni m p o r t a n tw a yt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fd e s i g n s l e w i n gm e c h a n i s m i so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tm e c h a n i s m sf o rc r a w l e rc r a n e 。o fw h i c h d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa f f e c tt h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo fw h o l em a c h i n e d i r e c t l y a f t e rs y s t e m a tica n a l y sisa n dr e s e a r c ho nt h eb a c k g r o u n do f t h e s u b j e c t p z 7 0s m a l lh y d r a u i i ce x c a v a t o r ，w h i c hi sd e v e l o p e db yp u s hh e a v y m a c h i n e r yl i m i t e dc o m p a n y ，w em a i n l ym a d et h es t u d ya sf o l l o w ： ( 1 ) a c c o m p l i s h i n gt h ed e s i g no fr o t a r yp l a t f o r mo fs m a l lh y d r a u l i c e x c a v a t o r sa n dt h ea s s e m b l yo ft h r e ed i m e n s i o nm o d e lo nt h eb a s i so fu g ( 2 ) t h er o t a t i n gp l a t f o r mi sr e s e a r c h e d ，b yp r e c i s ea n a l y z i n go f f o r c ei nt w od i f f e r e n ts i t u a t i o n s i m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n sf o rs t r u c t u r e o fp l a t f o r ma r ea d v a n c e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff e ma n a l y s i s ( 3 ) b a s e do nt h er e s e a r c ho nd y n a m i cb e h a v i o r so fp r o t o t y p e t h e s i m u l a t i o nm o d e lo fs l e w i n gh y d r a u li cs y s t e mi sb u il du s i n ga m e s i m s o f t w a r ea n di t sc o r r e c t n e s si sv a l i d a t e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ( 4 ) m a j o rf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es l e w i n gh y d r a u l i cs y s t e ma r e a n a l y z e db ys i m u l a t i o n i no r d e rt or e d u c et h ei m p a c to fr o t a r yb r a k e 。 s l e w i n gh y d r a u l i cs y s t e mi si m p r o v e da n da n a l y z e db ys i m u l a t i o n i ns u m m a r y ，t h i sp a p e rp r e s e n t sac o m p l e t ef e mm o d e lo fp l a t f o r ma n d d y n a m i cs i m u l a t i o no fs l e w i n gh y d r a u l i cs y s t e mo ne x c a v a t o r a 1 1r e s e a r c h r e s u l t sn o to n l yp l a ya ni m p o r t a n tt h e o r y i n s t r u c t i n gr o l ei ni m p r o v e m e n t ， o p t i m i z a t i o na n dd e s i g no fp l a t f o r ma n ds l e w i n gh y d r a u l i cs y s t e m , b u t a l s oh a v eag o o dc h a n c et ob ea p p l i e di np r a c t i c a ld e s i g n k e yw o r d s ：s m a l ih y d r a u l i ce x c a v a t o r ：p i a t f o r m ；f i n i t ee l e m e n t ： s l e w i n gh y d r a u l i cs y s t e m ；s i m u l a t i o n 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密么使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：侈辱哆 日期： 研。s 。2 指导老师签名：痧尸氓、 f t 期：炉孝r 孑 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 实现挖掘机三维参数化设计，运用n xn a s t r a n 对回转平台进行有限 元分析，使结构设计与有限元前、后处理充分整合，对关键部件进行改进，提 高了平台的稳定性与安全性。 ( 2 ) 基于h m e s i m 对回转液压系统进行建模，并对挖掘机进行回转试验， 仿真与试验相结合，并在仿真模型上进行深入分析。 ( 3 ) 对回转液压系统进行改进设计，通过动态特性分析，降低了回转压 力冲击。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 小型液压挖掘机的发展概况 小型液压挖掘机是面向小型土方施工和生产的一种小型机械。它与挖斗、 推土铲、液压破碎锤等多种作业装置配套使用，具有挖掘、装载、清沟、破 碎等多种功能。小型液压挖掘机能够最大限度的满足施工方案及特种作业的 需求，并不仅仅是大型挖掘机的简单缩小。它在小型工程，如路面修复、架 设电缆水管、园林栽培、河沟清淤、公路维护以及地下等场地受限的场所中 已得到广泛的应用。 小型液压挖掘机( 以下简称小挖) 在国外一般指6 t 级以下产品，国内目 前尚没有明确分类，常指1 3 或l o t 级以下产品，国内市场目前主要存在这样 两类小型挖掘机产品：一类是为工程施工配套的3 6 0 。全回转、履带或轮胎 行走的标准型液压挖掘机，另一类是面向广大农村市场的低档配置产品即农 用挖掘机或汽车式挖掘机。 从2 0 0 4 年国家实施宏观调控政策以来，诸多因素使得国内挖掘机市场产 生了明显的变化g 通用型挖掘机产销已近饱和，产能明显过剩，这在东部地 区的销售中尤其明显，小型挖掘机在挖掘机市场上占有重要的地位。小挖“风 景独好”的一幕，在8 t hb i c e s 上一览无余。2 0 余家企业的7 0 余款产品集 中亮相，无论参展企业数量和产品数量都大大超过中大型挖掘机，这不仅成 为本届展会的主要特色之一，同时也呈现了各生产厂家对小挖市场的热衷和 激烈的市场竞争态势。 国外几乎所有的挖掘机制造商对小型挖掘机的生产都有涉猎，型号齐全、 性能优越、多功能化是产品的显著的特点。专业批量生产小型挖掘机的著名 企业有2 0 多家，主要分布在日本、美国、欧洲等发达地区。处于前列的有 日本的小松、久保田、石川岛、竹内、洋马、美国的凯斯、山猫，欧洲的j c b 、 阿特拉斯、雪孚，韩国的现代、大宇等公司。 目前，国外技术发展趋势是：大量采用机电液一体化技术，使小挖的操 作重量更轻、作业效率更高；通过采用后方小回转结构，使小挖更适合在狭 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 隘地带工作；在小挖上大量采用环保节能技术，使小挖的噪声更低、排放控 制得更好；人性化设计技术大量采用，使操作更简单，动作更平稳，维修更 方便；采用发热量更小的系统，使小挖的发热量减小，有利于减小机体的体 积，使小挖的回转半径更小；强调对道路的保护，在小挖上更普遍地采用橡 胶履带；加大了对整机稳定性研究的力度。 1 2 液压挖掘机国内外发展现状 1 2 1 国外挖掘机发展现状与趋势 工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟。美国、 德国和日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高的市场占有率。从2 0 世纪 后期开始，国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机 型的基础上向大型化、小型化化方向发展；从功能上看，在满足基本功能的 基础上，向多功能、专用化方向发展；从产品性能上看，向高效节能化、自 动化、信息化、智能化的方向发展。 ( 1 ) 挖掘机的小型化 为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了整机质量在6 t 以下的小 型液压挖掘机，最小的挖掘机整机质量甚至不到l t ，例如日立e x 8 挖掘机整 机质量只有7 6 0k g 。 ( 2 ) 挖掘机的多功能化 小型液压挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置。除正铲、反铲 外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、破碎锤、麻花钻、电磁吸盘、 振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。 与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低接地比压、低噪声、水下专用 和水陆两用液压挖掘机等。 ( 3 ) 挖掘机的电子化、信息化 世界上各大液压挖掘机生产厂商在应用新技术、新工艺、新结构，加快 标准化、系列化、通用化发展速度过程中，重视电子技术、信息技术在挖掘 机上的应用，使挖掘机向高效、节能、安全、环保以及操作方便舒适的方向 发展。从2 0 世纪8 0 年代开始，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术 在挖掘机上的应用和推广，并以成为挖掘机现代化的重要标志。 ( 4 ) 挖掘机设计制造手段的现代化 美国、德国、日本等国家的挖掘机制造厂商在更新设计理论、提高可靠 性、延长寿命等方面做了大量工作，推广采用有限寿命设计理论，以替代传 统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损失累计理论、断裂力学、有限元 法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方 法等先进技术应用与挖掘机的强度研究，提高了产品质量的竞争力。 随着大型c a e 软件的日渐成熟，虚拟设计和计算机仿真技术也被应用到 挖掘机的设计过程中。以往一种新机型需要经过多此反复试制、试验和修改， 般需要几年时间才能定型。而采用虚拟设计和计算机仿真技术，新产品设 计可利用专业c a d 设计、有限元分析软件和动力学仿真软件进行三维数字化 建模、三维虚拟装配和基础零部件分析、优化，并进行整机的虚拟样机仿真 和虚拟试验，直接在虚拟样机上修改设计，最终生成用于生成的产品工程图 和工艺文件，手段了新产品的研制周期，技术了挖掘机更新换代的进程。 ( 5 ) 增强挖掘机的安全性和舒适性 随着世界贸易的一体化进程的加快，各国对挖掘机的乘员安全保护及工 作环境条件提出了更高的要求。国外先进的挖掘机普遍采用带有落物保护结 构( f o p s ) 和翻滚保护结构( r o p s ) 的驾驶室。 ( 6 ) 挖掘机的液压系统得到进一步改进 国外挖掘机液压系统的总的发展趋势是高压、高速、大流量、低成本、 高质量、节能和高可靠性。国外知名公司的主流机型广泛采用双泵变量系统、 液压先导控制、负荷传感控制、l u d v 等新技术。 1 2 2 国内发展现状 近年来我国经济增加迅速，挖掘机市场需要不断扩大，形成了巨大的挖 掘机市场空间，但该行业主要由合资企业和外资企业所垄断。国内有众多厂 家在生产挖掘机，但大多数企业在生产规模、品种、质量等方面与国外大公 司相比还有一段差距。近几年以柳工、玉柴、山河智能、三一重工和徐挖机 械等为代表的自主品牌挖掘机在短短的两三年时间内占据了2 0 的市场份 额，进展显著。在发展迅速同时，国内挖掘机行业也面临许多问题： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 1 ) 挖掘机制造企业自主开发能力不足，部分元件依然依赖进口，比如 发动机、液压系统等核心技术，生产受配件影响大。 ( 2 ) 挖掘机产品性能在智能化、电子控制、制动监控、机电液一体化等 方面还不能满足国内市场的需要。 ( 3 ) 挖掘机产品质量差，具体表现在耐久性及可靠性上与国外挖掘机相 比差距较大。 ( 4 ) 国产挖掘机产品结构单一，知名度较低，我国自主品牌挖掘机的品 种相对较少，适应买方市场能力较低。 1 3 液压挖掘机平台和回转液压系统研究的必要性 回转平台是挖掘机的重要结构件，它是由上下覆盖铺板及纵梁等组成的 箱形结构；上布置有所有机械、动力装置、司机室、工作装置和配重等等， 是连接挖掘机各个部分的桥梁。因此，回转平台不仅应有足够的强度，同时 必须有足够的刚度，刚度不足会引起过大的变形，不利于机械的正常工作， 致使机械过早磨损和损坏。但是在以往挖掘机的设计中，没有对平台作认真 仔细的计算，原因是由于平台的结构和受力情况复杂，超静定的阶数较高， 作精确分析较为困难，故一般基于类比或手工计算。简化为一根梁或稍仔细 的简化为若干纵向梁进行计算，这样得到的结果当然是比较粗糙的。随着计 算机和有限元分析的不断发展，像回转平台这样以前认为不宜分析的复杂结 构，现在已成为不难解决的问题了。目前，随着挖掘机性能的不断提高，要 求对回转平台进行更深入的研究，准确描述其受力状态，对挖掘机的稳定性、 性能以及减少成本有着重大的影响。 近几年，挖掘机制造行业合资、独资企业应运而生，并在技术、质量、 产量等各个方面优势非常明显，产品几乎垄断了中国市场。而国内企业在新 一轮竞争中，大多仍旧是自行设计：先确定主要配置如发动机、关键液压元 件，选用国外成熟可靠的技术及元件，整机及各系统匹配采用古典的方法和 计算公式以及经验进行分析计算，追求各分项设计指标与国外机相同，而综 合指标却低于国外机。即使应用了相同的控制技术，作业效率相对较低，节 能效果不明显。而产品性能的优劣不仅与各部件，险能有关，而更主要的是 决定于各部件结构特性的协调。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 设计出的系统需经整车装配、试运行后方可得知液压系统设计的优劣性 和经济合理性。如若发现设计不合理，则需改进设计并重新选型，造成设计 周期过长、效率不高、经济性下降，情况严重时还会在试车时损坏元件，造 成不必要的损失。对此，提出在设计完成后先对系统进行计算机仿真，初步 了解液压系统运行时的各种特性，并对设计不合理之处进行改进设计。从而 减少设计的盲目性，确保试车时的安全性和稳定性，并缩短设计周期，提高 经济效益。 在小挖液压系统的设计过程中不仅要考虑静态特性，而且也要考虑到动 态特性是否满足要求。因而，对其进行系统仿真分析是非常必要的。仿真分 析能了解到各个液压元件型号及参数对系统动态响应特性的影响，通过改变 液压元件的型号及参数来改变系统的动态响应特性。在此基础之上，建立数 字化动力学虚拟样机，选取一种合适的优化方法来修正各个尺寸参数，以求 使其动态特性达到总体最优。 据统计，回转机构的回转时间约占液压挖掘机整个工作时间的5 0 一- 7 0 ，能量消耗约占2 5 - - 4 0 ，回转液压油路的发热量约占液压系统总发热 量的3 0 - - 4 0 n 叫。因此，合理地确定回转机构的液压油路和结构方案。正确 的选择回转机构诸参数，对提高生产率和功能利用率，改善司机的劳动条件， 减少工作装置的冲击等具有重要的意义。 1 4 本论文研究内容 本文主要对小挖回转平台三维建模，基于n xn a s t r a n 进行有限元分析并 改进，实现三维参数化设计与有限元有效的结合。基于a m e s i m 软件建立回转 液压系统仿真模型，进行回转动态特性的仿真与分析，并对样机进行试验， 分析比较仿真结果与试验结果，最终对回转液压系统进行优化改进。 本文研究工作主要内容包括： ( 1 ) 小挖回转平台三维设计 根据发动机、散热系统、液压系统、司机室、工作装置等对回转平台进 行三维参数化设计。 ( 2 ) 回转平台有限元分析与改进 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 运用n xn a s t r a n 对小挖回转平台进行有限元分析，并对受力关键零部件 进行改进，保证回转平台的稳定性基础上减少材料。 ( 3 ) 回转液压系统试验、仿真建模与仿真分析 基于a m e s i m 对回转液压系统进行建模，拟定试验的方法和方案，利用企 业现有的先进测试设备、得天独厚的资金条件，对p g 7 0 小型液压挖掘机进行 试验，测出回转液压系统压力动态响应曲线。接着对建立的模型进行仿真分 析，对比仿真结果与试验结果，修正与验证仿真模型。最后，在仿真模型的 基础上进行深入仿真研究。 ( 4 ) 回转液压系统改进设计 对回转液压系统进行增加防逆转阀改进设计，仿真分析、比较改进前后 回转机构的动态特性，并优化防逆转阀的阻尼口直径，以此降低回转压力冲 击。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章平台模型建立与回转液压系统 2 1 挖掘机模型 2 1 1 小型液压挖掘机的结构 本文研究的p z 7 0 小型液压挖掘机是履带式液压挖掘机，它是由工作装 置、回转机构、动力装置、行走装置、司机室、液压系统等组成。 反铲工作装置是液压挖掘机的一种主要工作装置形式，一般由动臂、动 臂液压缸、斗杆、斗杆液压缸、铲斗、铲斗液压缸、连杆、摇杆等组成。其 构造特点是各梅件之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现 挖掘过程中的各个动作。 挖掘机回转装置e h 平台、回转支承和回转机构等组成。回转支承的外座 圈用螺栓与转台连接，带齿的内座圈与底架用螺栓连接，内、外座圈之间设 有滚动体。挖掘机工作装置作用在转台上的垂直载荷、水平载荷和力矩通过 回转支承的外座圈、滚动体和内座圈传给底架。回转机构的壳体固定在转台 上，用小齿轮与回转支承内座圈上的齿圈相啮合。小齿轮既可绕自身的轴线 自转，又可绕转台中心线公转，当回转机构工作时转台就相对底架进行回转。 履带行走装置是挖掘机上部重量的支承底座，用来支承挖掘机的所有机 构、承受工作装置在工作过程中所产生的力，并使挖掘机能做工作性和短距 离云属性移动。主要优点是对土壤的接地比压小，附着力大，可以用于凹凸 不平的场地，具有一定的机动性能，能通过陡坡和急弯。 2 1 2 整机模型 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) ，是美国e d s 公司推出的集c a d c a m c a e 于一 体的软件系统，它包括了概念设计、功能工程、工程分析、加工制造到产品 发布等各项功能，覆盖了产品开发生产的全过程，在航空航天、汽车、工程 机械、通用机械、工业设备以及其他高科技应用领域的机械设计和模具加工 自动化市场得到了广泛的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 几何建模是现代c a d 系统的一个基本特征，建立一个机械元件的精确实 习模型能力是一个软件基本的设计功能。u gn x4 0 提供了最全面和最具有 生产力的c a d 解决方案。它包括强大且广泛的产品设计应用模块，使得u gn x 4 0 具有高性能机械设计和制图功能。 本文基于u g 建立挖掘机的主要部件，包括工作装置、平台、行走装置、 机罩等。挖掘机的设计是由同课题组的同学与同事共同完成，本人主要负责 回转平台的设计。p z 7 0 小型液压挖掘机的实体模型如图21 图2 - 4 。 圈22行走装置的三维模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 l qb1 7 1 6 1 5l 4m “1 11 0 幽z 一3刚转十台的二维模坐发却萱不意曲 1 散热器2 燃油箱3 发动机4 柱塞泵5 液压油箱6 多路阀7 空调8 司机室9 左纵梁l o 左前粱1 1 左立扳1 2 耳板1 3 弯板1 4 右立板1 5 底板1 6 盖板1 7 右 前粱1 8 右纵梁1 9 配重 图2 4挖掘机整机模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 1 3 回转平台模型 小型液压挖掘机多采用底板、盖板、左右立板及左右纵梁组成的箱形结 构做为主要承载部分，下面衬以支承环衬板，便于与回转支承连接。左右侧 焊接的小框架( 装司机室、机罩安装座等) ，作为附加承重部分。回转平台 起到一个承上启下的作用，既要承受上部的机体重量，又要承受工作装置的 挖掘力。工作时其自重和外载荷作用下对底部履带产生很大的倾覆力矩，这 个力矩完全靠机身的自重和转台后部的配重所产生的力矩来平衡，使挖掘机 在各种工况下稳定地工作。对回转平台结构设计提出的要求是：结构布置合 理，具有足够的强度、刚度和稳定性，能够使挖掘机在恶劣的工作环境下保 证工作安全进行，同时兼顾美观、便于维修等。 小型液压挖掘机的回转平台如图2 - 3 所示，平台尾部安装发动机3 ，在 发动机两侧分别安装散热器1 与柱塞泵4 ，在平台中间安装多路阀6 与空调7 ， 前侧的左右分别安装司机室8 与，燃油箱2 ，左后侧安装液压油箱5 。平台上 的左纵梁9 、左前梁1 0 、左立板1 1 、耳板1 2 、弯板1 3 、右立板1 4 、底板1 5 、 盖板1 6 、右前梁1 7 与右纵梁1 8 组成的箱形结构作为主要承载部分，下面衬 以支承环衬板，便于与回转支承连接。 平台结构通常用高强度的钢板焊接而成，左右立板、耳板、弯板、底板、 盖板等主要受力部位采用q 3 4 5 c 材料，其余结构大多采用q 2 3 5 材料。 2 2 回转液压系统 液压挖掘机的回转油路一般由回转操纵阀、回转马达、缓冲补油回路、 回转制动器及制动器控制系统等组成。回转机构工作频繁，因此必须有特殊 的回路来满足回转机构的工作要求。 挖掘机回转油路工作时必须满足：回转迅速、平稳，突然停止时冲击小； 与其它机构同时动作时，能合理分配去各机构的流量。但设计回转油路时， 在注重功能实现的同时，还必须考虑回转油路的节能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 2 1 回转缓冲油路 液压挖掘机满斗回转时，由于上车转动惯量大，在起动、制动和突然换 向时，引起了很大的液压冲击，尤其是回转过程中遇到障碍突然停车，液压 冲击极大，使整个系统和元件产生振动和噪音，甚至引起破坏。所以在挖掘 机回转机构的回路上通常设有缓冲阀。回转机构的缓冲回路就是利用缓冲阀 使液压马达高压腔的油液超过一定压力时获得出路。 为了减轻起动和急停时过大的冲击，采用缓冲油路。主要有两种连接方 式： ( 1 ) 缓冲阀的出油口直接与油箱相连，如图2 - 5 。 这个回路溢油和补油分别进行，保持了较低的回路油温，工作可靠，但 是补油量较大。 ( 2 ) 缓冲阀出油口直接与回转马达、出油路相通，如图2 - 6 。 这种缓冲回路由于高压油直接通入低压腔，所以补油量很少，只要补马 达的外漏油量即可，背压小。 ：p p 图2 5回转液压系统回路一图2 - 6回转液压系统回路二 2 2 2 回转制动油路 挖掘机回转液压制动由回转操纵阀控制。回转操纵阀回中位回转马达开 始制动，回转制动力矩由缓冲阀调定。但马达液压制动不能长久保持，为了 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 在倾斜地防止重力回转和因风力等其它原因自行回转，为了使制动长久保持 可靠，还需设机械式制动器。机械式制动器一般是弹簧力上闸、液压松闸。 为了防止机械式制动器弹簧上闸制动过猛，减轻制动时齿圈、齿轮之间 的冲击，要求液压马达制动以后机械制动器才开始起作用。因此，要求弹簧 上闸时制动器油缸延迟回油，使机械制动器延时结合。制动器油缸延迟回油 控制有3 种方式。 ( 1 ) 液压控制 回转操纵杆回到中位，通过液压延时器约经过4 s 后，制动缸油才排掉弹 簧上闸制动，回转操纵阀一般采用先导油压力控制。回转操纵阀回中位，先 导压力p ，消失，制动阀在弹簧作用下制动油缸回油，制动器在弹簧力作用下 制动。制动器油缸延迟回油有两种形式：通过流量阀回油，使制动器回油 流量基本保持一恒定值，如图2 5 所示；通过节流孔回油，起阻尼作用， 如图2 - 6 所示。 ( 2 ) 电控制 回转制动由电磁阀控制，通过电磁阀的转换使制动器上闸和松闸。图2 - 7 是p z 7 0 挖掘机回转制动原理图。电磁阀处于常关状态，回转马达处于停止状 态。当挖掘机开始工作时，打开电磁阀，使其通电，压力油进入制动器上方， 制动器松闸，回转马达可只有回转。 2 2 3 回转液压系统 p z 7 0 挖掘机回转液压系统图如图2 - 7 所示，动力源由流量压力功率复合 控制变量柱塞泵1 提供，压力油经过多路阀回转联5 到达回转马达7 ，回转 马达在进出口压差的作用下实现回转。回转马达的正、反转以及转速都是通 过回转操纵手柄来控制，回转操纵手柄控制先导控制阀3 的压力。先导控制 阀实质是一个直动式减压阀，控制压力油由主泵出来经过油源控制阀4 到达 先导控制阀的进口，其出口压力与控制手柄成比例关系，输入压力由驾驶员 控制，而多路阀回转联的阀芯位移由阀5 输入压力控制，从而控制回转马达 的流量，实现回转操纵手柄位置来控制回转马达的速度。 当挖掘机开始回转时，首先打开制动电磁阀，松开机械制动。回转制动 的压力由缓冲阀8 调定，缓冲阀采用力士乐公司m h d b n 型号二次溢流阀，并 由单向阀9 进行补油。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 7p z 7 0 回转液压系统 1 主泵2 主溢流阀3 回转先导控制阀4 油源控制阀5 多路阀回转联6 制动电磁阀 7 马达8 缓冲阀9 单向阀 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章平台有限元分析 n xn a s t r a n 作为e d s 产品生命周期管理方案( e d sp l ms o l u t i o n s ) 的 一个重要组成部分，能够与u g 建模充分的整合，使有限元模型能快速的随着 模型结构改变而变化，有效提高工作效率。n xn a s t r a n 是基于m s c s o f t w a r e 开发的完全相同的m s cn a s t r a n 代码，能在广泛的工程学科领域提供相同级 别的产品性能仿真，提供应力、位移、屈曲、失效、振动、冲击、热传递、 声学和气动力弹性分析等方面的分析和性能预测能力。因此本文采用n x n a s t r a n 作为有限元分析软件，确定回转平台各部件是否能够满足工作要求。 3 1 平台上的载荷 挖掘机回转平台是挖掘机重要结构件，它是由底板、盖板、左右立板及 左纵梁组成箱形结构。由于结构布置复杂，用手工方式难以精确计算，一般 用简支梁或多支点交叉梁系的力学模型，这与实际情况差异较大。为使平台 具有足够的强度与刚度，并力求结构轻量化，为优化设计创造条件，应用有 限元法，研究合理的组合结构力学模型是十分必要的。 平台除了承受工作装置、司机室、机动装置、液压系统、配重及机罩等 自重外，更主要的是还要承受工作装置工作时产生的挖掘力。主梁上的载荷 为动臂油缸铰点作用力，动臂铰点上作用力。这两个力的大小和方向根据工 况而定。 计算工况和计算位置的选择原则上是使主梁上可能产生最大的弯矩时的 作业姿态，主要选择下面两种工况： ( 1 ) 工况一：最大挖掘机深度时铲斗挖掘、铲斗液压缸发挥最大挖掘力； ( 2 ) 工况二：稳定计算位置之一，使挖掘机可能向前倾翻、稳定系数最 小( k m i n ) 时的位置。一般可取动臂水平( 上、下铰点连线) ，斗杆垂直， 铲斗挖掘而w 。垂直方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 1 1 工况一 液压挖掘机反铲装置工作时既可用铲斗液压缸挖掘( 简称转斗挖掘) ， 也可用斗杆液压缸挖掘( 简称斗杆挖掘) ，或作复合动作挖掘。一般认为斗 容小于0 5 m 3 或在土质松软时以转斗挖掘为主，反之则以斗杆挖掘为主。挖 掘力可分为切向分力彤和法向分力彤，试验表明法向挖掘阻力彤的指向是可 变的，数值也较小，一般乃= 0 - - 0 2 彤。土质越均匀，彤越小。从随机统计 的角度看，取法向分力w 2 为零简化计算是允许的n 1 。 工作装置各油缸作用力有以下两种情况： ( 1 ) 当油缸两腔分别接高低压油路时产生推动机构进行运动的作用力称 为主动作用力( 简称作用力或着工作力) ，其最大值取决于该油缸回路的工 作压力和油缸直径。 ( 2 ) 工作装置工作时作用于闭锁状态( 即油缸两腔与高低压油路断开) 的油缸上的作用力称为被动作用力，其最大值则取决于该油缸油路的过载溢 流阀压力和承载活塞面积。当油缸工作力大于外载荷的作用力的时候，该油 缸便无回缩现象，否则由于过载溢流阀打开而溢流，便使油缸发生回缩。 在保证整机稳定的情况下，主动液压缸产生的最大挖掘力只有同时小于 动臂液压缸、斗杆液压缸闭锁所限制的最大挖掘阻力时才能实现，否则，挖 掘力相应于以上三个值中的最小值。 工况一的工作位置如图3 1 所示。在u g 的三维模型中分析可得，此时工 作装置的重心与动臂铰点的水平距离为l c ，r = 2 0 9 5 m ，工作装置的总重量为 g r = 1 2 5 0k g ，动臂与斗杆的铰点以下的工作装置重量为g 寥= 5 0 0 姆，重心到动臂 与斗杆的铰点水平距离为l 。，7 0 2 3 2 m 。动臂油缸、斗杆油缸及铲斗油缸的参 数见表3 1 。动臂油缸、斗杆油缸在被动状态下的抗拉能力取决于其小腔闭 锁力，抗压能力取决于其大腔闭锁力。根据式3 - 1 可求得抗拉、抗压情况下 能承受的最大挖掘阻力。工况一时动臂油缸抗拉，斗杆油缸抗压。 卢只a x l 矿( 3 - 1 ) 式中卜油缸产生最大的力( n ) ； 只- - t 作装置过载溢流阀设定压力( m p a ) ： 卜工作腔的面积( m 2 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 表3 一i 液压油缸参数 最大压大腔直小腔直抗拉时油缸抗压时油缸 力m p a 径m径m 最大的力n最大的力n 铲斗油缸 2 6 5 o 0 90 0 5 51 6 8 5 8 6 斗杆油缸 2 6 5o 0 90 。0 5 5 1 0 5 6 2 61 6 8 5 8 6 动臂油缸2 6 5o 1 1 50 0 6 51 8 7 3 1 72 7 5 2 5 2 图3 - i工况一工作装置 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 铲斗油缸能产生最大的挖掘力为： 形1 ：e 生血：1 6 8 5 8 6 0 3 2 9 x 0 2 2 6 ：4 4 5 9 6 ( n ) l b l 吒l 0 2 7 7 1 0 1 5 式中厅一铲斗油缸产生最大的力( n ) ； 厶广铲斗油缸作用力臂，厶1 = 0 3 2 9 ( m ) ； 厶广- 摇杆的作用力臂，厶产0 2 7 7 ( m ) ； c 广连杆的作用力臂，l c ，= o 2 2 6 ( m ) ： 乃广_ 形1 对铲斗与斗杆铰点的作用力臂，乃产1 0 1 5 ( m ) 。 斗杆油缸抗压时能承受的最大挖掘阻力为： 墨! 墨堡! 鱼! 墨! 生1 2 一堕8 6 0 4 0 9 + 5 0 0 x 9 8 x 0 2 3 2 2 2 6 1 5 = 2 6 8 0 2 ( n ) 式中砖一斗杆油缸抗压时产生最大的力( n ) ； 。_ 斗杆油缸作用力臂，l e l = o 4 0 9 ( m ) ； 乃广_ 计算斗杆油缸闭锁时，挖掘力的作用力臂，乃严2 6 1 4 ( m ) 。 动臂油缸抗拉时能承受的最大挖掘阻力为： 3 = 式中 坠生! g ! 型坚盟一1 8 7 型7 8 + 1 2 5 9 8 x 2 0 9 5 3 5 3 1 卜动臂油缸抗拉时产生最大的力( n )； = 1 4 6 4 0 ( n ) ，广动臂油缸作用力臂，访0 2 7 8 ( m ) ； 乃广计算动臂油缸闭锁时，挖掘力的作用力臂，厶产5 3 1 ( m ) 。 由以上可知动臂油缸承受的最大挖掘力最小，故工况一的挖掘力： 彤= 3 = 1 4 6 4 0 ( n ) 由于此时动臂油缸压力最大，油缸铰点的作用力为 厅严序1 8 7 3 1 7 ( n ) 工作装置在动臂铰点的力平衡方程为： j 冬0 8 璺一墅一兄c o s a l20(3-2) 【瓦1 s i n 届一g l 一兄lo s i n a l = 0 式中鼻广动臂油缸与水平方向的夹角，p = 1 4 3 。 由式3 2 可解得：f b f l 7 0 3 0 0 口i = 1 1 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 3 1 2 工况二 工况二的工作位置如图3 - 2 所示，此时斗杆油缸、动臂油缸均抗压。 在u g 的三维模型中分析可得，此时工作装置的重心与动臂铰点的水平距 离为l o z u 2 5 4 7 m ，重心到动臂与斗杆的铰点水平距离为矿0 1 1 6 m 。 铲斗油缸能产生最大的挖掘力为： 删：f 姓：1 6 8 5 8 6 里螋：2 5 4 8 5 ( n ) l 融r 2 l 0 3 4 9 x 1 0 1 9 式中厅一铲斗油缸产生最大的力( n ) ； 厶厂铲斗油缸作用力臂，l a e = 0 2 5 6 ( m ) ； 厶广摇杆的作用力臂，谚0 3 4 9 ( m ) ； 三广连杆的作用力臂，l c e = o 2 1 ( m ) ； 乃广- 形1 对铲斗与斗杆铰点的作用力臂，衍1 0 1 9 ( m ) 。 图3 - 2工况二工作装置 斗杆油缸抗压时能承受的最大挖掘阻力为： 孵= 式中 e 上e ：+ g 2 罗，占避：一1 6 8 多堡鱼兰q ：兰墨兰二兰9 堡兰三生壁兰坐 r 2 2 1 0 1 9 厅一斗杆油缸抗压时产生最大的力( n ) ； = 7 9 5 1 6 ( n ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 。厂斗杆油缸作用力臂，访0 4 8 4 ( m ) ； r 。厂计算斗杆油缸闭锁时，挖掘力的作用力臂， 2 2 = 1 2 1 = 1 0 1 9 ( m ) 。 动臂油缸抗压时能承受的最大挖掘阻力为： 275252x0442+125x 9 8x 2 5 4 7 ：5 7 1 2 3 ( n ) 2 6 7 6 ， e 动臂油缸抗压时产生最大的力( n ) ； 广动臂油缸作用力臂，拓o 4 4 2 ( m ) ； 场一计算动臂油缸闭锁时，挖掘力的作用力臂，r e 3 = 2 6 7 6 ( m ) 。 由以上可知铲斗油缸承受的最大挖掘阻力最小，故工况一的挖掘力： = 时= 2 5 4 8 5 ( n ) 由动臂铰点的力矩平衡可得： 巴2 k 2 = 仫+ g l g l 0 2 l + g 3 g k ( 3 3 ) 式中毋一铲斗中土的重量，f i 产4 7 6 ( 蚝) ； 己广铲斗重心到动臂铰点的水平距离，厶= 3 3 4 9 ( m ) 。 由式3 - 3 可得： 只2 = 2 6 0 2 2 8 ( n ) 工作装置在动臂铰点的力平衡方程为： 式中广动臂油缸与水平方向的夹角，：3 8 6 。 由式3 - 4 可解得：结2 3 7 3 0 0 口：3 0 5 。 3 2 前处理 1 结构简化 ( 3 - 4 ) 0 o = i i 茹q厥展 | 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 进行有限元分析，首先就是模型结构的简化，即考虑主要因素，忽略次 要因素，从而建立起适合于有限元分析的力学模型。一个好的力学模型应该 满足以下两条： ( 1 ) 模型能基本反映所要分析的结构的真实受力状态，分析计算结果能 满足实际工程需要； ( 2 ) 模型考虑因素尽量少，研究对象简单，以便降低有限元分析时的时 间和工作量。 根据受力状态，对称和反对称等原理，在保证受力状态基本不变的前提 下，尽量简化要分析的结构，达到降低计算工作量、减少数据处理的目的。 在本文的平台结构中，载荷与约束都是不对称的，所以只能对整个平台进行 分析。 建立准确而可靠的有限元模型，是一项非常重要的步骤，直接关系到计 算的结果是否准确。而实际的工程结构非常的复杂，支承边界形式多样，载 荷也不断变化，因此在建立计算模型时要作必要的简化。对于平台结构在理 想化模型中主要做如下简化： ( 1 ) 不考虑钢板焊接应力及焊缝形式的影响，处理各个零件的连接，连 接处的一些细小特征很容易造成不能成功划分网格的问题。 ( 2 ) 建立模型时，简化左右立板、左右纵梁、左右前梁、底板及盖板等 零件上的一些倒圆角、倒角和小孔，这些细小的结构对底架整体的强度、刚 度影响都很小，可以不考虑，以可以节省时间和资源。 ( 3 )