（光学工程专业论文）履带车辆结构件的cae技术研究.pdf

study on cae technology for track vehicle structures a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by feng xiansong supervised by prof yang wei major: automobile engineering college of mechanical engineering of chongqing university , chongqing, china may, 2011 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 履带车辆以其良好的通过性能在现代军事、农业、建筑业等领域发挥着十分 重要的作用。特别是在基础设施建设和国防建设中，对履带车辆的要求不断提高， 履带车辆的结构件稳定和安全性能成为重要的研究课题。液压挖掘机是履带车辆 类型中十分重要的一种，研究开发出功能齐全、具有安全保障的液压挖掘机成为 需要迫切待解决的课题。 液压挖掘机在现代工程机械中占有重要地位，广泛应用于道路、水利、采矿 以及城乡建设等工程中。液压挖掘机操作简单，工作效率高，适应性好，在各种 土石方挖掘工作中，可以替代繁重的人类体力劳动，极大地缩短工程项目的施工 时间。针对某型液压挖掘机在施工过程中，工作装置经常发生故障，影响整机的 稳定性和耐久性。在产学研合作基础上，本文运用对液压挖掘机结构件进行了有 限元动静态分析，找到结构件在工作时可能会失效的部位，以改进液压挖掘机的 设计方案。论文的主要工作如下： 首先，对液压挖掘机反铲工作装置的结构特点和运动特性进行了总结分析，使 用数学和理论力学的解析方法建立挖掘机的工作装置的力学模型，在 matlab 软件 中编写相应的计算程序，计算出最大理论切向挖掘力，并反算出工作装置各铰点 的受力，为有限元分析提供了加载数据； 其次，以液压挖掘机工作装置的动臂和斗杆为研究对象，建立了动臂和斗杆的 有限元模型，分别对它们进行模态分析，提取前六阶模态振型进行分析，通过比 较工作装置的固有频率与工作频率，可以得出系统不会发生共振。因此，可以排 除共振引起的工作装置的破坏； 最后，建立了模拟动臂和斗杆受力铰接处的接触单元，并在典型工况下，进行 有限元静强度分析，分析结果表明，受外载荷的铰接区域、动臂根部和各部件间 的铰接部分所受的应力较大也较复杂，结构变形都在允许范围内。 关键词关键词：履带车辆，液压挖掘机，工作装置，模态分析，静强度分析，接触单元 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract track vehicle plays a very important role in the modern military, agriculture, construction and other fields due to its nice traffic ability. especially, with the continually increasing demands, track vehicles structure stability and security has become an important research topic in infrastructure construction and defense construction. hydraulic excavator is a very important type of tracked vehicle. researching and developing multi-functional and safe hydraulic excavator has become an urgent topic need to be solved. as one of the important roles of modern construction machinery, hydraulic excavator is widely used in projects, such as road construction, water construction, mining construction, urban construction and rural construction. hydraulic excavator is characterized by simple operation, high efficiency and good adaptability. in some earth excavation works, they can replace the human heavy manual labor, significantly reducing project construction time. during the construction process, the hydraulic excavators working mechanism often broke down which affects the stability and durability of the machine. in this paper, based on the research cooperation, the static and dynamic analysis about the hydraulic excavators working mechanism are carry on via ansys. find invalid parts of the structures at work which can improve our level of design plan of hydraulic excavators. the following are the main contents of this paper: first of all, analysis the backhoe working mechanisms structural characteristics and motion characteristics of the hydraulic excavator, then use mathematics and theoretical mechanics analytical methods to establish the working mechanisms mechanical model, and apply matlab to program corresponding computer program to calculate the maximum theoretical tangential digging force and forces of the hinge point which provides load data for finite element analysis; secondly, taking the hydraulic excavators arm and boom as research objects, establish their finite element models, then modal analysis about the arm and boom are carried on and extract the first six mode shape of the first six order modal, comparing the natural frequency and operating frequency of working mechanism, system cannot resonate, therefore, we can exclude the destruction of working mechanism caused by resonance; finally, use ansyss contact wizard tool to create contact elements to simulate the connection pin and pin holes, then static structural analysis about the arm and boom are 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii carried on via ansys under the typical operating conditions, afterwards, the results show that the arm and booms strength and stiffness satisfy requirements under the typical operating conditions. keywords：track vehicle, hydraulic excavator, working mechanism, modal analysis, static structural analysis, contact elements 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文中文摘要摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 研究目的和意义研究目的和意义 . 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 . 1 1.3 本论文研究内容本论文研究内容 . 3 2 液压挖掘机工作装置的受力和工况分析液压挖掘机工作装置的受力和工况分析 . 4 2.1 液压挖掘机工作装置设计要求液压挖掘机工作装置设计要求 . 4 2.1.1 几何尺寸要求 . 4 2.1.2 结构强度要求 . 4 2.1.3 经济性要求 . 4 2.2 工作装置的受力分析工作装置的受力分析 . 5 2.2.1 挖掘阻力分析 . 5 2.2.2 挖掘力分析 . 7 2.2.3 编程求解各工况下整机最大理论挖掘力及相应各铰点力 . 10 2.3 工作装置典型工况分析工作装置典型工况分析 . 11 3 液压挖掘机动臂和斗杆的模态分析液压挖掘机动臂和斗杆的模态分析 . 14 3.1 结构模态分析理论基础结构模态分析理论基础 . 14 3.2 液压挖掘机动臂和斗杆的模态分析液压挖掘机动臂和斗杆的模态分析 . 16 3.2.1 动臂的模态分析 . 17 3.2.2 斗杆的模态分析 . 24 3.2.3 结论 . 31 4 液压挖掘机动臂和斗杆在典型工况下的静强度分析液压挖掘机动臂和斗杆在典型工况下的静强度分析 . 32 4.1 应力状态矩阵与强度理论应力状态矩阵与强度理论 . 32 4.2 有限元的静力分析过程有限元的静力分析过程 . 32 4.3 液压挖掘机动臂和斗杆有限元模型的建立液压挖掘机动臂和斗杆有限元模型的建立 . 33 4.3.1 几何模型的简化 . 33 4.3.2 网格划分 . 34 4.3.3 确定边界条件 . 36 4.3.4 销轴的处理 . 36 4.4 典型工况下动臂和斗杆的静强度分析典型工况下动臂和斗杆的静强度分析 . 40 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 4.4.1 工况一下动臂和斗杆的静强度分析 . 40 4.4.2 工况二下动臂和斗杆的静强度分析 . 43 4.4.3 工况三下动臂和斗杆的静强度分析 . 46 4.4.4 工况四下动臂和斗杆的静强度分析 . 49 5 总总 结结 . 53 致致 谢谢 . 54 参考文献参考文献 . 55 附附 录录 . 58 a 作者攻读硕士学位期间发表论文的目录作者攻读硕士学位期间发表论文的目录 . 58 b 作者攻读硕士学位期间参与的科研项目目录作者攻读硕士学位期间参与的科研项目目录 . 58 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究目的和意义 履带车辆以其良好的通过性能在现代军事、农业、建筑业等领域发挥着十分 重要的作用。特别是在基础设施建设和国防建设中，对履带车辆的要求不断提高， 履带车辆的结构件稳定和安全性能成为重要的研究课题。液压挖掘机是履带车辆 类型中十分重要的一种，研究开发出功能齐全、具有安全保障的液压挖掘机成为 需要迫切待解决的课题。 液压挖掘机在国民经济与国家建设中扮演着及其重要的作用，广泛应用于道 路、水利、采矿以及城乡建设等工程中。在各种土石方挖掘工作中，可以替代繁 重的人类体力劳动，极大地缩短工程项目的施工时间。液压挖掘机工作装置的高 效性、稳定性和可靠性是整机先进性的重要体现。 液压挖掘机的工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗及其相应的作用油缸、摇杆 和连杆机构等组成，通过操纵三组油缸的伸缩运动来实现各种作业，在实际的工 作中，工作装置的受力和运动都十分的复杂，主要体现在：作业对象的多样性， 液压挖掘机的施工环境比较复杂，铲斗与土壤相互间的作用效果各不相同，导致 受力工况的难以确定；工作过程中，每一个工作运动都是两个或两个以上的部 件参与实现；在挖掘过程中，工作装置受到多种不同类型载荷相互作用，比如： 扭转、拉伸和振动冲击，而且不同的工况下工作姿态也不尽相同，使得挖掘力的 作用方向和大小随之变化，因而很难确定实际的挖掘力。 由于我国液压挖掘机的设计和开发起步较晚、底子薄，制造企业多采用类比 法进行工作装置的设计，工程实践过程中经常出现关键部件失效的问题，如斗杆 或动臂的特殊部位出现开裂失效，工作装置铰点连接销轴的早期断裂、挖掘区域 不合理或与机体干涉等，这些缺陷都阻碍了国内挖掘机行业的发展与进步，和其 他工程机械产品相比，国内液压挖掘机的实力与国外品牌相比还处于劣势，在国 内市场的占有率还比较低。 针对某型液压挖掘机在施工过程中，工作装置经常发生故障，造成整机的性 能稳定性下降，影响产品的口碑。结合与企业的合作项目，运用有限元分析软件 对该液压挖掘机的动臂和斗杆进行有限元动静态分析，得到动臂和和斗杆的前六 阶固有频率，以及静态分析后的应力分布情况，从结果中找出设计缺陷，提高液 压挖掘机动臂和斗杆的研究设计水平。 1.2 国内外研究现状 随着液压挖掘机正朝着大型化、多能化、智能化和专用化的方向发展，为满 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 足多样化的工程项目要求，国内外的研究者对液压挖掘机进行了多方面的深入研 究，如强度校核、动态特性分析、结构优化、机构控制规划等。 工作装置有限元分析 对液压挖掘机工作装置的动臂、斗杆、铲斗进行单件的有限元静强度分析， 得出各部件的应力和变形云图，揭示失效的内在原因，改进设计方案，为提高液 压挖掘机工作的稳定性和安全性提供了理论依据1-9。长安大学的刘本学、浙江大 学的任友良、吉林大学的杜文靖等人对液压挖掘机工作装置整体进行有限元强度 与刚度分析,为挖掘机的开发提供了很好的研究实验方法，极大地提高了工作装置 的设计水平 10-12。 工作装置运动学与动力学分析 对挖掘机工作装置进行运动学和动力学分析，是其它分析与设计的基础。国 内外学者对这方面进行了研究。美国密苏里大学罗拉分校的 frimpong.s.samuel 和 li ying 对露天采矿的挖掘机工作装置进行动力学分析13； frimpong.s.samuel 等人 使用牛顿欧拉方法建立液压挖掘机的动力学模型，并进行了运动学和动力学分析， 获得了一些有意义的结果14；英国的 zweiri yahya h, seneviratne lakmal d 和 althoefer kaspar 使用牛顿方法对挖掘机斗杆进行动力学分析15；波兰罗兹工业大 学的 zygmunt towarek 对在土壤上挖掘的液压挖掘机进行动力学分析 16；日本的 imanishi etsujiro 等对液压挖掘机的挖掘过程进行柔性多体动力学的仿真分析，结 果表明这种方法能够很好地模拟挖掘机工作过程17；中南大学的何清华、张大庆 等使用 amesim 软件对挖掘机的液压系统和机构进行建模， 设置模型的主要参数， 实现了二维的动力学仿真分析，并通过采用试验的方式对仿真模型进行验证18； 使用虚拟样机技术对液压挖掘机工作装置进行动力学仿真分析已经成为热门的研 究方法19-28。 结构优化 为提高挖掘机工作装置的工作性能，研究人员在结构优化方面做了很多的研 究工作。捷克的 mottl j 提出一个独立的离散变量系统对挖掘机优化，解决了特殊 的非线性问题29-30；意大利的 serwach andrzej 等人对液压挖掘机液压系统中的主 要参数进行了优化分析31；美国的 ward peter 等人使用优化方法提出完全集成分 析和交互式图形设计，为挖掘机斗杆的设计提供解决方法32；浙江大学的薛彩军 在多 agent 协同优化计算环境下实现了液压挖掘机工作装置结构的静动态优化 33；三一重机得陈健等人采用全局灵敏度归一化的优化方法，对液压挖掘机的动 臂进行优化，该方法减少了设计人员在结构设计中的盲目性，能高效地得到优化 结果34；其他科研人员通过不断地实践掌握了先进算法和手段，从不同方面对挖 掘机进行优化设计35-40。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 机构运动控制 在运动控制研究方面，澳大利亚的 hall a.s.和 mcaree p.r.运用迭代算法对大 型液压矿用挖掘机的铲斗运动轨迹进行控制，该方法能够很好地适用于其它相似 的装置41-42； 芬兰的 tomi makkonen 等人使用 cad 模型和三维定位系统对一个具 有六自由度的挖掘机进行运动控制，并通过仿真实验对其进行验证43；日本的 haga，m 等人研制了一种自动控制系统，挖掘机使用这种系统后工作时，对挖掘 深度的控制和手动控制一样，极大地提高工作效率44；中南大学的张海涛对挖掘 机工作装置的运动控制系统进行研究，在给定铲斗期望运动轨迹的情况下，对挖 掘机的工作装置的运动进行控制，实现对期望轨迹进行跟踪45；中南大学的何清 华利用拉格朗日方法建立液压挖掘机的动力学方程，并在该动力学方程的基础上 给出挖掘机铲斗轨迹控制方法46。 1.3 本论文研究内容 以其工作装置为研究对象，本文对其工作装置的模态和结构静强度进行分析 研究，主要研究内容如下： 通过数学和理论力学的解析方法，建立液压挖掘机在工作过程中任一工况 整机挖掘力的数学模型，并应用 matlab 软件编制出相应的计算程序； 根据企业提供的液压挖掘机工作装置实体模型，使用有限元前处理软件 hypermesh 对动臂和斗杆进行网格划分，赋予基本属性，建立有限元模型，并转 换成适用于 ansys 软件分析的文件格式； 在有限元分析软件 ansys 中，对液压挖掘机的动臂和斗杆进行模态分析， 求解出动臂和斗杆的固有频率与振型； 通过 ansys 软件对动臂和斗杆的有限元模型施加约束， 建立液压缸与支座铰 接处的接触单元，利用 apdl 语言施加每一个工况下铰点力，最后使用 ansys 软 件的静力分析模块对动臂和斗杆进行有限元强度和刚度分析，得出各部件的应力 和变形云图，找出部件破坏的原因，为今后的机构设计提供具有指导意义的理论 依据。 重庆大学硕士学位论文 2 液压挖掘机工作装置的受力和工况分析 4 2 液压挖掘机工作装置的受力和工况分析 以某液压挖掘机整机为研究对象，介绍了工作装置的设计要求，其次通过对 整机进行受力分析，求解出相应的理论最大切向挖掘力和各铰点受力，并通过 matlab 软件编写相应的计算程序。 2.1 液压挖掘机工作装置设计要求 液压挖掘机工作装置的结构特点是各个部件之间通过铰接连接起来，通过各 油缸的伸缩运动实现工作过程中的各种动作。这些重要机构在工作过程中，需要 经常启动、制动、转向，外负载极易变化，工作条件苛刻，受到的冲击和振动频 繁，因此必须提高液压挖掘机工作装置的的设计水平和要求。根据液压挖掘机的 工作特点，工作装置的设计要求如下： 2.1.1 几何尺寸要求 液压挖掘机工作装置的几何尺寸需要满足规定的作业范围和适当的运输尺 寸，几何尺寸之间要达到不会产生相互干扰。 工作装置的几何尺寸还需要满足合理的挖掘力的分布特性。主要挖掘区域是 指用最常规最合适的挖掘方式，对施工场地进行挖掘的区域。挖掘机最常规最主 要的挖掘方式是指挖掘面一下，自上向下，向机身运动靠近的挖掘方式，在这种 方式下，铲斗充斗的效率高，缩短了循环时间，方便卸土、装车，开阔了司机的 视野，提高了生产率和工作安全。此外，液压挖掘机工作装置的几何尺寸还要满 足挖掘机在停放、工作和行走时的整机稳定性，避免出现失去重心倾翻等现象。 2.1.2 结构强度要求 工作装置是液压挖掘机的关键部件，其所承受外载荷十分复杂，这就对它的 结构设计要求非常高。在工作装置承受外载荷时，必须保证工作装置的强度和刚 度满足工作要求。 在设计工作装置时，需要注意一些常规要求，避免部件的过早失效，比如： 整个装置中少使用焊缝和变形等工艺，特殊部位要安置加强版，不同部位使用适 合的材料，焊接时错开焊缝与应力集中部位。 2.1.3 经济性要求 设计液压挖掘机工作装置在满足使用要求的同时必须考虑满足技术要求后的 经济成本，在研发提高各种性能的前提下应该注意影响经济性指标因素，包括能 量指标、整机重量、机器寿命等。 在工作装置的设计研究中需要尽量实现零部件的标准化、组件化和通用化， 重庆大学硕士学位论文 2 液压挖掘机工作装置的受力和工况分析 5 降低成本。为保证挖掘机在恶劣的工作环境下延长使用寿命，必须提高各部件的 工作可靠性和耐久性。 2.2 工作装置的受力分析 2.2.1 挖掘阻力分析 液压挖掘机的反铲工作装置有三种挖掘方式，分别是铲斗油缸挖掘、斗杆油 缸挖掘、复合动作挖掘。一般在土质松软或斗容量小于 0.5m3的情况下，以使用铲 斗挖掘为主，反之以斗杆挖掘为主47。 铲斗挖掘阻力计算 当液压挖掘机使用斗杆进行挖掘，土壤的切削阻力随挖掘深度的变化而变化， 并且切削阻力与挖掘深度是成正比。因为前半过程的切削角不利，由此产生了较 大的切削阻力，导致前半过程的切削阻力比后半程的要高。通过试验表明，对斗 形切削刃作大区率挖掘切削得到一样的结果。它们的切削阻力的切向分力可以通 过如下公式表达： 1 . 3 5 m a x 1 m a x c o s 1 c o s wcrb a z xd w (2.1) 式中 c：土壤的硬度系数，对级土宜取c=5080，对级土宜取c=90150， 对级土宜取c=160320； r：铲斗切削半径，即铲斗与斗杆绞点至铲斗齿尖距离； max ：挖掘过程中铲斗总转角的一半（图 2.1） ； ：铲斗瞬时转角（图 2.1） ； b：切削刃宽度影响系数，b=1+2.6b，其中b为铲斗平均宽度，单位为米； a：切削角变化影响系数，一般取 a=1.3； z：斗齿系数，有齿时，z=0.75， （无齿时，z=1） ； x：铲斗侧壁厚度影响系数，x=1+0.03s，s为侧壁厚度，单位为厘米，初步 设计时可取x=1.15； d：切削刃挤压土壤的力，根据斗容量的大小在d=1000017000 n 的范围内 选取。当斗容q0.25 米 3 时，d应小于 10000 n。 铲斗挖掘装土阻力的切向分力为 1 c o swq (2.2) 式中 ：密实状态下土壤容量，单位为 nm3； 重庆大学硕士学位论文 2 液压挖掘机工作装置的受力和工况分析 6 ：挖掘起点和终点间连线 ab 方向与水平线的夹角（图 2.1） ：土壤与钢间的摩擦系数； 图 2.1 铲斗挖掘阻力计算简图 fig.2.1 calculation sketch of bucket digging resistance 计算表明: 1 w 与 1 w相比很小，可以忽略不计。当= max ，=0o时出现斗杆 挖掘最大切向分力 1max w，为下式： 1.35 1maxmax coswc rbazxd (2.3) 试验表明法向挖掘阻力 2 w的指向是可以改变的，相对切向力来说比较小，一 般 2 w=00.2 1 w，土质越均匀， 2 w就越小。从随机统计学的角度来看，可以忽略 法向分力来简化计算的。这样就可以把切向最大分力当做铲斗挖掘的最大阻力。 铲斗挖掘的平均阻力可以按照平均挖掘深度下的阻力计算，一般平均阻力指 装满铲斗全过程阻力的平均值， 国外的试验认为平均挖掘阻力为 70%80% 1max w。 斗杆挖掘阻力计算 斗杆挖掘时切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中可视为常数。一般取斗杆 在挖掘过程中的总转角为50o一 80o，在这转角行程中铲斗被装满。这时斗齿 的实际方程为 6 0.01745 g sr f (2.4) 式中 6 r：斗杆挖掘时的切削半径； 斗杆进行挖掘时的切削厚度 g h和斗杆的挖掘阻力 1g w的计算公式如下 重庆大学硕士学位论文 2 液压挖掘机工作装置的受力和工况分析 7 6 0 10 6 0.01745 0.01745 g sg gg gs qq h bskrb k q wk h b rk (2.5) 其中 0 k为挖掘比阻力， s k为松散系数。 2.2.2 挖掘力分析 工作液压缸的理论挖掘力 液压挖掘机反铲工作装置主要采用斗杆液压缸或铲斗液压缸进行挖掘， 一般不 考虑使用动臂液压缸进行挖掘。在不考虑工作装置自身和铲土重量、液压系统和 传动连杆机构的工作效率以及工作液压缸的被压的情况下，把工作液压缸外伸时 该液压缸理论推力所能够产生的铲斗齿切向挖掘力定义为工作油缸的理论挖掘力 47。 图 2.2 铲斗油缸理论挖掘力计算简图 fig.2.2 calculation sketch of bucket cylinder theoretical digging force 如图 2.2 所示，铲斗挖掘时铲斗液压缸的理论挖掘力为 64 0333 53 d rr pffif l rl (2.6) 式中 3 f是铲斗抽缸的理论推力， 33 fsp， 3 s为铲斗油缸大腔作用面积，p为液 压系统工作压力； 3 r、 4 r、 5 r、 6 r是力臂值；i是连杆机构的传动比。 显然，对于已经确定的工作装置，由于机构结构参数已定，铲斗液压缸的理论 挖掘力仅是该液压缸瞬时长度 3 l的函数。当 max ii时，相应可得到铲斗液压缸的 最大理论挖掘力 00maxdd pp。 重庆大学硕士学位论文 2 液压挖掘机工作装置的受力和工况分析 8 图 2.3 斗杆油缸理论挖掘力计算简图 fig.2.3 calculation sketch of bucket cylinder theoretical digging force 如图 2.3 所示，斗杆液压缸的理论挖掘力为 2 0223 7 , g e pff l l r (2.7) 式中 2 f是铲斗抽缸的理论推力， 22 fsp， 2 s为铲斗油缸大腔作用面积，p为液 压系统工作压力； 2 e、 7 r是力臂值。 对于已经确定的液压挖掘机工作装置， 2 e、 7 r分别是 2 l、 3 l的函数，即 0g p是 2 l和 3 l二元函数。当 29 el，且 33max ll时可以求得 0g p的最大值，但是这时动臂 将先于铲斗齿与土壤相接触，导致此时用斗杆液压缸挖掘变得毫无实际意义。在 实际应用中，取g、b、m三点处于同一直线的位置，这时 7 r可以得到最大值， 同时再取 2 e的最小值 2max e，则可得 0g p的最小值。 整机的理论挖掘力 当液压挖掘机处于某一工况时， 工作液压缸的主动挖掘力能否实现主要取决于 下列几个因素：工作液压缸的闭锁能力、挖掘机整机工作稳定性、挖掘机整体地 面附着能力、土壤对铲斗挖掘时的阻力以及工作装置的强度与刚度。 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47。 参照图 2.4，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： 重庆大学硕士学位论文 2 液压挖掘机工作装置的受力和工况分析 9 图 2.4 受力分析模型示意图 fig.2.4 sketch of forces model 动臂油缸闭锁力决定的切向挖掘力 1 f 由动臂重量 1 g、斗杆重量 2 g、铲斗重量 3 g、动臂油缸受力 1 f、切向挖掘机力 及对a点的各力臂 1a l、 2a l、 3a l、 1 e、 1 r，得： 11223311 1 1 aaa glglglfe f r (2.8) 斗杆油缸闭锁力决定的切向挖掘力 2 f 由斗杆重量 2 g、铲斗重量 3 g、斗杆油缸受力 2 f、切向挖掘机力及对b点的各 力臂 2b l、 3b l、 2 e、 2 r，得： 223322 2 2 bb glg lf e f r (2.9) 铲斗油缸主动挖掘时的切向挖掘力 3 f 由铲斗油缸的主动推力 3 f、铲斗重量 3 g、切向挖掘机力及对 c 点的力臂 3 e、 3c l、 3 r，得： 3333 3 3 c g lf e f r (2.10) 整机稳定性所限制的切向挖掘力 1) 当挖掘机有前倾趋势时 由动臂重量 1 g、斗杆重量 2 g、铲斗重量 3 g、机体重量 4 g、切向挖掘力 4 f及 重庆大学硕士学位论文 2 液压挖掘机工作装置的受力和工况分析 10 对整机前支撑点的各力臂 1i l、 2i l、 3i l、 4i l、 4 r，得： 11223344 4 4 iiii glglglgl f r (2.11) 2) 当挖掘机有后倾趋势时 由动臂重量 1 g、斗杆重量 2 g、铲斗重量 3 g、机体重量 4 g、切向挖掘力 5 f及 对整机后支撑点的各力臂 1t l、 2t l、 3t l、 4t l、 5 r，得： 11223344 5 5 tttt glglglgl f r (2.12) 整机行走所限制的切向挖掘力 6 f 由整机重量、行走部分与地面附着系数、切向挖掘力与水平方向的夹角， 得： 1234 6 cos gggg f (2.13) 综合上述各种因素，取 6 个力中的最小值作为最大理论切向挖掘力，即 123456 minfffffff ， (2.14) 2.2.3 编程求解各工况下整机最大理论挖掘力及相应各铰点力 使用matlab软件编写求解各工况下整机最大理论挖掘力及相应各铰点力的 程序，计算流程图如下： 重庆大学硕士学位论文 2 液压挖掘机工作装置的受力和工况分析 11 图 2.5 整机最大理论挖掘力及相应各铰点力计算流程图 fig.2.5 calculation process sketch of maximum theoretical digging and corresponding hinge points force 2.3 工作装置典型工况分析 液压挖掘机的各种工况是由动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的不同伸缩状态组 合而成，可以达到上万种，所以需要确定工作装置受到外载荷作用下的危险工况， 进行精确的强度校核，才能使产品设计具有实际意义。 对液压挖掘机工作装置的强度进行设计分