（机械设计及理论专业论文）液压挖掘机动臂结构动态分析.pdf

摘要 动臂是挖掘机的关键部件，也是主要承力部件。挖掘机要承受复杂的冲击载 荷，按传统静态的、经验的方法设计的动臂结构，在施工过程中往往出现强度、 刚度不足的情况。而动臂强度、刚度是否满足要求，将直接影响工作安全。因此， 全面了解动臂在工作过程中的应力、应变水平，了解动臂的振动频率和刚度、强 度分布情况，对于我们优化动臂结构具有十分重要的作用。 本文是出于研发新型挖掘机的目的，运用p r o m e c h a n i c a 对动臂结构进行动 态分析。 在文中对液压挖掘机工作装置运动学及受力进行分析，介绍了挖掘机的作业 方式，简要讨论了影响挖掘阻力的几种因素：利用p r o e 建立了挖掘机工作装置 的运动模型，并对其进行运动学仿真；运用p r o m e c h a n i c a 对挖掘机动臂进行三 种典型工况的受力分析，研究其应力及应变，验证动臂的强度符合设计要求，对 动臂进行模态结构分析，得出其主要振型；实验测试了挖掘机动臂的应力应变及 振动情况，并对实测结果和有限元分析进行了比较。 有限元分析以及实际测试结果验证了动臂结构强度满足设计要求，动臂固有 频率和挖掘机工作频率也不会引起共振现象，论文研究成果为下一步的动臂结构 优化创造了条件。 关键词：p r o m e c h a n i c a ；动臂；有限元；模态分析；静强度分析 a b s t r a c t t h em a i na r mi st h ek e yc o m p o n e n t sa n dt h em a i nf o r c e - b e a r i n gp a r t so ft h e e x c a v a t o r i nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n s ，t h ee x c a v a t o rs h o u l db e a rc o m p l e xi m p a c t l o a d w e l l ，t h em o v e sd e s i g n e db yt r a d i t i o n a l l ys t a t i ca n de x p e r i e n t i a lw a y so f t e n a p p e a r st h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ：t h ei n t e n s i t yf a l l ss h o r t ，t h er i g i d i t ys u r p a s s e st h e s c o p e a n dt h a tw h e t h e rt h ei n t e n s i t ya n dt h er i g i d i t yo fm o v e ss a t i s f yr e q u i r e m e n t s d i r e c t l ya f f e c t st h ew o r k i n gs a f e t y t h e r e f o r e ，t h ec o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go ft h e l o a db e a r i n gs t r e s s ，t h es t r a i nl e v e l ，t h ev i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dt h er i g i d i t ya n dt h e i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o ns i t u a t i o no fm o v e si nt h ew o r k i n gp r o c e s sh a sq u i t ei m p o r t a n t f u n c t i o n sf o ru st oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo fm o v e s t h ea i mo ft h i sp a p e ri st od e v e l o pan e wt y p ee x c a v a t o r ，u s i n gp r o m e c h a n i c at o d y n a m i c a l l ya n a l y z et h es t r u c t u r eo fm o v e s a tf i r s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ek i n e m a t i c so fw o r k i n gi n s t a l l m e n ta n dt h es t r e s s i ti n t r o d u c e st h ew o r k i n go fe x c a v a t o r sa n db r i e f l yd i s c u s s e sf e wf a c t o r so ff o r m i n g r e s i s t a n c e sw h i l e e x c a v a t i n g t h e n i te s t a b l i s h e sk i n e t i cm o d e l so fw o r k i n g i n s t a l l m e n t so fe x c a v a t o r sa n dt h e nm a k e sk i n e m a t i c se m u l a t o r s t h e n ，i tu s e s p r o m e c h a n i c at oa n a l y z et h r e et y p i c a ls t r e s so ft h em o v e s ，s t u d yi t ss t r a i na n d d i s t o r t i o n ，v a l i d a t et h a tt h ei n t e n s i t yo fm o v e sa c c o r d sw i t hd e s i g n i n gr e q u i r e m e n t s a f t e rt h a t ，i ta n a l y z e st h em o d ec o n s t r u c t i o no ft h em o v e sa n df i n d si t sm a i nv i b r a t i n g m o d e l a tl a s t ，e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e dt ot e s ti n s t a n c e sw h e nt h es t r e s sd e f o r m sa n d v i b r a t e s t h e ni tc o m p a r e st h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s k e yw o r d s ：p r o m e c h a n i c a ；m o b i l ea r m ：f i n i t ee l e m e n t ；m o d e la n a l y s i s ； s t a t i ca n a l y s i s i l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 枷j j 日期：细声月、罗日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制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 、不保密囡。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 1 1 引言 第一章绪论 挖掘机是土方工程中的主要施工机械，可用来开挖和装卸土石方、 采石和其他建筑材料，它是土石方工程施工机械化中最重要的机械之一。 在公路交通、铁道建设、石油化工、矿山开采以及城市乡村建设等方面， 挖掘机现在已成为各种施工工程的首选机种。 我国是一个发展中国家，在其辽阔的土地上正在进行大规模的经济 建设，需要大量的土石方施工机械，因此存在着一个巨大的液压挖掘机 现实和潜在的市场。与此同时，挖掘机用户对液压挖掘机的要求越来越 高，希望能以高性能价格比作为选择机型的一个重要参数，来获取最大 的经济效益和社会效益。 在液压挖掘机的设计过程中，工作装置的设计是重要内容之一，其 中动臂又是挖掘机工作装置中主要的承载受力部件，动臂的设计优劣， 对挖掘机工作效率及使用寿命影响极大。传统的液压控掘机动臂的强度 计算，通常是采用材料力学的方法，把动臂假定为梁，计算若干截面的 弯曲强度。但由于动臂的结构与理想梁相差甚远，受力也较为复杂，按 梁来计算显然会有较大的误差，并且无法反映结构整体的变形和应力情 况，难以指导设计。在生产实践中，以传统方法设计生产的挖掘机，在 使用过程中动臂结构往往会发生失效现象，如出现疲劳裂纹、开焊等。 1 2 课题选题背景与实际应用价值 随着我国国民经济的不断向前发展，我国液压挖掘机市场形势不断 趋好，现已成为世界上最大的挖掘机市场，及世界挖掘机的制造中心。 首先是国内基础设施建设项目的陆续启动，投资不断加大和资金到 位，扩大了内需：其次是按照国外同一标准生产的合资、独资企业的液 压挖掘机产品，在不降低质量要求的前提下，随着国产化率的提高，产 品成本有所下降，其性能价格逐步得到用户的认可和接受，另外， 广大 用户，各级施工单位逐渐认识到了液压挖掘机在施工中的重要性和不可 缺少性的地位，用液压挖掘机在众多场合替代装载机、推土机进行旌工 作业的合理性也越来越明显。同时，在我国的综合实力达到一定程度， 我们的强势产品必将走出国门的大趋势下，国产挖掘机在第三世界具有 非常广阔的国际市场空间。 本课题研究的目的是出于新型挖掘机研发需要，对动臂结构进行动 态分析。动臂是挖掘机的关键部件，也是主要承力部分。在施工过程中 受复杂的瞬态冲击载荷，往往结构出现裂纹或强度、刚度超出范围。而 动臂强度、刚度是否满足要求，将直接影响工作安全，因此，全面了解 动臂在工作过程中承载时的应力、应变水平、振动频率和刚度、强度分 布情况，发现薄弱环节和过剩部分，显得十分重要，这也为动臂结构的 进一步优化、改进设计提供了依据。 过去，人们进行机械结构的应力设计与计算时，多采用静态的方法， 对共振系统的模态分析多采用试验的方法。近年来，有限元单元分析( f e a f i n i t ee 1 e m e n ta n a l y s is ) 法的广泛应用为解决复杂的工程分析计算问 题提供了更为有效的途径。这种情况下计算机辅助工程( c a ec o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 分析方法和软件就成为关键的技术要素。在工程实 践中采用c a e 技术可以增加设计功能，减少设计成本，缩短产品设计和 分析的循环周期，提高产品和工程的可靠性；采用优化设。计，还可以降 低材料的消耗及成本；在产品制造或工程施工前利用此技术，可以预先 发现潜在的问题、模拟各种试验方案、进行机械事故分析及查找事故原 因等，因此可以大大减少试验时间和经费。近年来，c a e 技术逐渐在工程 机械领域得到应用与推广。 本文用动态的而不是静态的、用理性的而不是经验的方法对挖掘机 动臂进行动力学研究，适应我国挖掘机发展的需要，给出挖掘机动臂的 动态特性。并在此基础上提供一个完善的挖掘机动臂动态特性分析方法， 方便以后对挖掘机的工作装置进行全面的动力学研究。 在正确的载荷分析和合理的模型建立的基础上，对挖掘机动臂进行 全面的动态分析，从而提高设计质量，减少试验环节，缩短了设计周期。 这对我国挖掘机设计水平的提高是非常必要的，具有实际价值和长远意 义。 结构分析采用p r o m e c h a n i c a 软件进行应力及模态分析，利用该软件 可以分析出动臂的各阶振型，以及在几种典型工况过程中的的应力、变 形情况，然后通过试验进行比较验证。 1 3 国内外挖掘机研究现状与发展动态 挖掘机在技术发展的阶段上经历了三次飞跃”1 。第一次是柴油机的 出现，使挖掘机有了较理想的动力装置；第二次是液压技术的广泛应用， 使挖掘机有了较理想的控制系统；第三次是机电液一体化、智能化技术 2 的应用，使挖掘机面貌焕然一新。挖掘机具有挖掘、装载、卸载和整机 移动等功能，可连续高效地工作。据统计，各种土方作业中约有6 5 一7 0 的土方量是由挖掘机来完成的。 从2 0 世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多 功能化、专用化和自动化的方向发展”3 。主要发展方向是采用遥控及微 机控制的自动化技术，整个机组具有以下主要特点：功率增大；独立作 业性强；配件标准化；能降低噪声、振动。 同时，随着计算机技术和数值分析方法的发展，有限元方法在机械 结构分析中得到广泛应用，取得了令人瞩目的成果。有限元分析法已成 为现代机械产品设计的一个重要工具。 资料文献检索发现，国外不论在挖掘机的整机还是部件的设计上都有 比较成熟的技术”3 。国外挖掘机生产企业，利用有限元与优化设计相结 合进行结构的形状优化。它使液压挖掘机的设计从经验的、静止的、随 意性较大的传统设计逐步发展到自动化程度高，设计周期短，设计方案 优越，计算精度高的现代化设计。 我国从19 5 8 年开始研制液压挖掘机，逐步形成了中小型液压挖掘机 系列。然而在液压挖掘机机电一体化进程中，我国远远落后于技术先进 国家。 我国液压挖掘机工业在1 9 8 3 年以后采用引进技术进行生产的方法， 加快了液压挖掘机的发展，这种引进技术的方式，是在较高的起点上， 在较短的时间内，用较少的资金提高技术水平，促进技术进步的捷径。 计算机技术在液压挖掘机产品开发、研制中的作用愈来愈大。但是 由于受客观条件的限制，在产品设计制造中大多采用传统的方法和理论。 引进挖掘机技术时，只注意了整机技术，将有限元分析方法应用到挖掘 机动臂结构动态设计、分析及优化还不是很多，往往都是静态分析，特 别是通过完整的试验进行验证就更少。 现在国内外正在通过动力学研究的设法提高产品的设计质量，以求在 根本上保证产品的动强度和可靠性，另外振动和噪声被认为是工程机械 作业时的两大公害，随着动臂强度要求越来越高，机械重量如何减轻也 显得越来越重要，因此对挖掘机动臂进行结构的动态分析、试验验证以 及进一步优化，显得越来越迫切。 挖掘机的有限元分析是伴随着有限元理论和有限元软件的广泛应用 而迅速发展起来的“1 ，特别是自2 0 世纪八十年代以来，随着国外几种商 用有限元软件进入我国，挖掘机有限元分析的研究己初具规模。在众多 有限元软件中，比较可靠的有国外的a n s y s ， n a s t r a n ，m o c a l ， a l g o r 等，国内真正通用的还几乎没有，所能做到的只是一些用于某种单元或 是某个机构的有限元分析。目前，利用有限元软件对挖掘机进行分析， 其所做的工作可以归纳为以下几个方面： 1 工作装置的运动分析 对工作装置的运动分析，关系到挖掘机的力学分析，是其它分析与 设计( 如控制) 的基础。这方面的研究成果很多，理论基础也比较成熟。 2 有限元的分析 自国外几家大型有限元软件在我国投放以来，有限元分析在很多领 域得到应用。其中有很多是挖掘机的有限元分析。一般来说，这类分析 主要集中在对某些部件的研究上。对整体机构进行有限元分析既可以提 高我国设计能力和设计水平，反过来又可以利用有限元分析来解决挖掘 机在使用中出现的问题。 总之，由于有限元单元法在我国应用比较晚，且主要集中在力学领 域，因此对挖掘机的有限元分析还存在一定的局限性1 。可以预见，随 着大型和超大型挖掘机的不断涌现，合理地设计各构件更加重要。 本文利用p r o m e c h a n i c a 软件对履带式单斗液压挖掘机的动臂机构 进行了有限元分析。 同p r o m e c h a n i c a 分析软件相比，绝大部分有限元分析软件( 如 a n s y s 分析软件) 的几何建模功能比较弱，这些有限元软件通常通过 i g e s 格式或者s t e p 格式进行数据交换，而这样做最大的弊端在于容易 造成数据的丢失，因此常常需要花费大量的时间与精力进行几何模型的 修补工作。而利用p r o m e c h a n i c a 进行分析，恰好可以克服上述缺点， p r o m e c h a n i c a 作为p r o e n g i n e e r r 集成模块，是设计机构运动和进行 有限元计算强有力的工具。且实践证明其分析的结果也较精确，完全可 以满足工程设计的需要。 1 4 学术构想与主要研究内容 本文主要针对挖掘机动臂进行结构动力学分析，重点分析其刚度、 强度、振型等是否满足设计要求。 思路如下： 1 根据实物的结构尺寸，利用p r o e n g i n e e r 、p r o m e c h a n ic a 软件建 立有限元模型，真实反映实际工作中动臂结构状态和受力状况，确保分 析结论的可靠性。 2 利用p r o m e c h a n i c a 自动划分网格程序对模型进行合理的网格划 分。 4 3 对有限元模型进行应力分析、模态分析等，找出其固有频率和振 型，分析出动臂模型在典型工况下的应力应变情况。 4 进行针对性试验，然后与有限元分析结果进行比较，从侧面验证 利用p r o m e c h a n ic a 结构分析结论的可靠度。 主要研究内容是对动臂在工作状态下进行结构动力学分析，以全面 了解动臂结构在工作时的应力、应变水平、振动频率，强度和刚度分布 情况，结合理论和实际得出结论。 论文选取现代某型号挖掘机进行分析( 如图卜1 ) ，其基本参数和工 作参数见表1 1 、表卜2 。 图1 1 现代液压挖掘机 表1 一t 挖掘机基本参数 额定功率( k w ) 1 1 0 操作重量 ( k g )2 0 3 0 0 铲斗容量( m ，) o 8 7 表1 2 挖掘机工作参数 动臂长度 ( m m )5 6 5 0 斗杆长度 ( m i l l )2 9 2 0 最大挖掘有效范围( m m )9 9 3 0 最大垂直挖掘深度( m m )6 8 0 0 最大挖掘高度( m r n )9 7 3 0 最大卸载高度( m m )6 9 1 0 屉小回转半径 ( m m ) 3 4 4 0 5 1 5 拟采取的研究方法与技术路线 本课题着重于动臂的结构动力学分析。运用p r o m e c h a n i c a 软件这个 有效手段，重点分析动臂结构在强度、刚度、以及振动方面，且通过试 验来验证分析的可靠性。 技术路线：调查研究，搜集材料，理论研究，利用p r o m e c h a n i c a 进 行结构动力学分析，通过试验验证结构分析的结论是否可靠，最后得出 结论。 实施方案具体如下图1 2 ： 图1 2实施方案图 1 6 研究条件与实验条件 研究条件：借助于三维模型设计分析软件p r o e n g i n e e r 、有限元分 析软件p r o m e c h a n i c a 、计算机等； 试验条件：实验用挖掘机、加速度传感器、数据采集仪等测量应力 应变及振动分析设备、计算机。 6 第二章反铲挖掘装置运动学及受力分析 2 1 液压挖掘机反铲装置的组成结构及工作特点 2 1 1 挖掘机结构组成 液压挖掘机的作业过程是以铲斗的切削刃( 通常装有斗齿) 切削土壤 并将土装入斗内。斗装满后提升，回转到卸土位置进行卸土。卸完后铲 斗再转回并下降到挖掘面进行下次挖掘。当挖完一段土后，机械移位， 以便继续工作。液压挖掘机为了实现上述周期性作业动作的完成，装备 有下列基本组成部分：工作装置、回转机构、动力装置、传动操作机构， 行走装置和辅助设备。挖掘机根据工作装置的不同可以分为正铲挖掘机 和反铲挖掘机，其中反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置，目 前广泛应用的斗容量在1 6 m3 以下”1 。本文主要对工作装置的反铲装置进 行分析。 如图2 1 ，该挖掘机的工作装置为反铲工作装置，主要由动臂、斗杆、 铲斗以及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸组成。动臂、斗杆和铲斗均由 高强度钢板焊接而成的箱形结构，动臂根部用一根销轴铰接在平台前端 中部，由两只铰接在转台前部的动力油缸支撑。油缸作伸缩运动，动臂 作升降运动。 图2 1 液压挖掘机不意图 工作装置由斗杆油缸、斗杆、动臂、铲斗油缸、动臂油缸、摇杆、 连杆和铲斗组成。其构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接，动臂 下铰点铰接在转台上，利用动臂油缸的伸缩，使动臂绕动臂下铰点转动， 依靠斗杆油缸使斗杆绕动臂的上铰点摆动。而铲斗铰接于斗杆前端，并 通过铲斗油缸和连杆使铲斗绕斗杆前铰点转动。为增大铲斗转角，通常 以连杆机构与铲斗连接。从而通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种 7 动作。 挖掘机动臂是反铲的主要部件，其结构有整体式和组合式两种。 1 整体式动臂 其优点是结构简单，质量轻而刚度大。缺点是更换的工作装置少， 通用性较差。多用于长期作业条件相似的挖掘机上。整体式动臂又可分 为直动臂和变动臂两种。其中的直动臂结构简单、质量轻、制造方便， 主要用于悬挂式液压挖掘机，但它不能使挖掘机获得较大的挖掘深度， 不适用于通用挖掘机；弯动臂是目前应用最广泛的结构型式，与同长度 的直动臂相比，可以使挖掘机有较大的挖掘深度。但降低了卸土高度， 这正符合挖掘机反铲作业的要求。 2 组合式动臂 一 如图2 2 所示，组合式动臂用辅助连杆或液压缸3 或螺栓连接而成。 上、下动臂之间的夹角可用辅助连杆或液压缸来调节，虽然使结构和操 作复杂化，但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上、下动臂之间的夹角， 从而提高挖掘机的作业性能，尤其在用反铲或抓斗挖掘窄而深的基坑时， 容易得到较大距离的垂直挖掘轨迹，提高挖掘质量和生产率。组合式动 臂的优点是，可以根据作业条件随意调整挖掘机的作业尺寸和挖掘力， 且调整时间短。此外，它的互换工作装置多，可满足各种作业的需要， 装车运输方便。其缺点是质量大，制造成本高，一般用于中、小型挖掘 机上。 。 图2 2组合式动臂 2 1 2 液压挖掘机基本参数 液压挖掘机基本参数是标示和衡量挖掘机性能的重要指标，主要包 括： 整机质量：指整机处于工作状态下的质量。 标准斗容量：指挖掘级或密度为1 8 0 0 公斤米3 的土壤时，代表该挖 8 掘机登记的一种铲斗堆积容量。 发动机功率：指发动机的额定功率。 液压系统形式：主要指液压挖掘机选用的工作油泵形式，分定量、 变量两种。 液压系统压力：指主油路安全阀的溢流压力。 爬坡能力：挖掘机以最大油门进行爬坡，直至发动机最大功率输出 或挖掘机出现滑移为止，折算出最大的爬坡角度或百分比。 接地比压：指挖掘机重量与履带接地面积之比，或轮式挖掘机的轮 荷与接地面积之比。 作业循环时间：指挖掘机按一定的回转角度完成整个工作循环所需 的时间。 最大挖掘高度：指工作装置处于最大举升高度时，铲斗齿尖到停机 地面的距离。 最大挖掘半径：在挖掘机纵向中心平面上铲斗齿尖离机器回转中心 的最大距离。 停机面最大挖掘半径：指在停机面上，从回转中心到铲斗斗齿尖端 的最远距离。 停机面最小挖掘半径：指在停机面上，从回转中心到工作装置铲斗 斗齿尖端的最近距离。 最大卸载高度时的半径：指当动臂斗杆处于最高位置时，从回转中 心到工作装置铲斗斗齿尖所通过的轨迹最低点的水平距离。 最大挖掘高度时的半径：指当工作装置处于最大挖掘高度时，回转 中心到斗齿尖的水平距离。 最大挖掘半径时的高度：指斗杆油缸全收处于最大挖掘半径时，铲 斗斗尖到停机面的距离。 最大挖掘深度：指动臂处在最低位置，且斗齿尖，铲斗与斗杆铰点， 斗杆与动臂铰点三点在同一条垂直停机面的直线上，斗齿尖与停机面的 最大距离。 最大挖掘深度时的半径：指处于最大挖掘深度状态时，铲斗斗尖到 回转中心线的水平距离。 最大卸载高度：指动臂、斗杆处于最大举升高度，翻转卸土，斗齿 尖处在最低位置时，斗齿尖到停机面的距离。 最大挖掘力：按照液压系统工作压力工作的铲斗油缸( 或斗杆油缸) 所能发挥的最大斗齿切向挖掘力，对于反铲工作装置，有铲斗最大挖掘 力和斗杆最大挖掘力之分。 9 2 1 3 液压挖掘机反铲装置的工作特点 挖掘机反铲装置是由动臂、斗杆、铲斗、连杆及动臂油缸、铲斗油 缸等组成。这种工作机械是模仿人的手臂而设计制造并实现与其同样的 动作。举起的时候令动臂动作、拉近时斗杆动作、挖削时通过连杆使铲 斗动作。铲斗部分除了可以安装标准铲斗以外，还可以安装松土器、破 碎器和抓斗等任选附件。 依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动，而铲斗铰接于斗杆前端， 通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时，通过回转 台使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩， 动臂下降铲斗接触挖掘面后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而 伸长，使铲斗进行挖掘作业。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵 动臂缸大腔进油，使动臂升起，随即接通回转油路使工作装置转到卸载 位置，再操纵铲斗缸回缩，使铲斗反转进行卸土。卸完后，工作装置再 转到挖掘位置进行第二次挖掘循环。实际挖掘作业中，由于土质情况、 挖掘面条件以及挖掘液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环 中的动作配合是多样、随机的。上述仅为一般的理想过程。反铲工作装 置的构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接，通过液压缸的伸缩来 实现挖掘过程的各种动作。从挖掘作业过程知，虽然从装土到卸土整个 过程的运动是三维的，但在挖掘过程中，只有动臂缸、斗杆缸、铲斗缸 的相互配合运动，整个工作装置是在一个平面内完成主要挖掘作业过程， 因此，在此课题的分析中，不考虑整个工作装置的回转运动。 液压挖掘机的反铲装置主要用于挖掘停机面以下土壤( 基坑、沟壕 等) 。其挖掘轨迹决定于各油缸的运动及其相互配合情况。通常情况下， 分为动臂挖掘、斗杆挖掘、转斗挖掘等几种情况。 1 动臂挖掘 当采用动臂油缸工作来进行挖掘时( 斗杆和铲斗油缸不工作) 可以得 到最大的挖掘半径和最长的挖掘行程。此时铲斗的挖掘轨迹系以动臂下 铰点为中心，斗齿至该铰点的距离为半径所作的圆弧线。其极限挖掘高 度和挖掘深度( 不是最大挖掘深度) 即圆弧线之起终点，分别决定于动臂 的最大上倾角和下倾角( 动臂与水平线之夹角) ，也即决定于动臂油缸的 行程。由于这种挖掘方式时间长而且由于稳定条件限制挖掘力的发挥， 实际工作中基本上不采用。 2 斗杆挖掘 当仅以斗杆油缸工作进行挖掘时，7 铲斗的挖掘轨迹为圆弧线，弧线 1 0 的长度与包角决定于斗杆油缸的行程。当动臂位于最大下倾角，并以斗 杆油缸进行挖掘工作时，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有较大 的挖掘行程。在较坚硬的土质条件下工作时，能够保证装满铲斗，故挖 掘机实际工作中常以斗杆油缸工作进行挖掘。 3 转斗挖掘 当仅以铲斗油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹也为圆弧线，弧 线的包角及弧长决定于铲斗油缸的行程。显然，以铲斗油缸工作进行挖 掘时的挖掘行程较短，如使铲斗在挖掘行程结束时装满土壤，需要有较 大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤。所以一般挖掘机的斗齿最大 挖掘力都在采用铲斗油缸工作时实现。采用铲斗油缸挖掘常用于清除障 碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率。因此，在一般土方工程挖掘中， 转斗挖掘较常采用。 在实际挖掘工作中，往往需要采用各种油缸的联合工作。如当挖掘 基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁时，则需采用 动臂与斗杆两种油缸的同时工作，当挖掘坑底，挖掘行程将结束为加速 将铲斗装满土，以及挖掘过程需要改变铲斗切削角等情况下，则要求采 用斗杆与铲斗油缸同时工作。虽然此时挖掘机的挖掘轨迹是由相应油缸 分别工作时的轨迹组合而成。显然，这种动作能够实现还决定于液压系 统的设计。 当反铲装置的结构形式及结构尺寸己定时( 包括动臂、斗秆、铲斗尺 寸、铰点位置，相对的允许转角或各油缸的行程等) ，即可用作图法求得 挖掘机挖掘轨迹的包络图，即挖掘机在任一正常工作位置时所控制到的 工作范围( 如图卜2 ) ，图上各控制尺寸即液压挖掘机的工作尺寸。对于 反铲装置主要的工作尺寸为最大挖掘深度和最大挖掘半径。包络图中可 能有部分区间靠近甚至深入到挖掘机停机点底下，这一范围的土壤虽可 挖及，但可能引起土壤的崩塌而影响机械的稳定和安全工作，除有条件 的挖沟作业外一般不使用。 挖掘机反铲装置的最大挖掘力决定于液压系统的工作压力、液压缸 尺寸，以及各液压缸间作用力之影响( 斗杆缸、动臂缸的闭锁压力及力 臂) 外，还决定于整机的稳定和地面附着情况，因此，工作装置不可能 在任意位置都能发挥其最大挖掘力。配有反铲工作装置的挖掘机的挖掘 速度在结构尺寸一定条件下，决定于液压系统单位时间内对工作液压缸 的供油量。 当反铲装置的结构形式及尺寸已定时，即可用作图法求出挖掘包络 图，即反铲挖掘装置在工作位置时，所能控制到的作业范围。对反铲工 1 1 作装置而言，包络图中可能有部分区域靠近甚至深入到反铲挖掘装置停 机点以下， 这一范围的土壤虽能挖及，但可能引起土壤的崩塌而影响 作业的稳定性和安全性，除有条件的挖沟作业外，一般不使用。 反铲工作装置般采用转斗卸土，卸载较准确、平稳，便于装车工 作。 图2 - 3反铲挖掘装置工作示意图 2 2 反铲式液压挖掘机工作装置的受力分析 反铲液压挖掘机的挖掘过程可以看成是克服土壤的阻力，使得土壤 受到挤压和剪切变形而最终被挖掘的过程。在这一过程中，由于土壤的 条件千变万化，工作装置受力极其复杂。因此在众多的研究中般都是 避免讨论全部土壤的情况，而转向于某些工况或某种类型的土壤来研究。 研究挖掘过程中的受力，通常有以下几种方法1 。 1 功率谱计算法 所谓功率谱计算法，是根据不同的工况，对挖掘力的功率进行测量， 得到不同情况时土壤阻力的功率谱。当获得各种工况的功率谱后，就可 以根据这些功率谱来设计和计算了。这种方法很好，也是众多厂家长期 以来所要寻求的。但是由于其复杂性和巨额的投资，实施的困难太大， 到目前为止还无法做到完全的功率谱。 2 理想情况下由挖掘机本身对土壤的作用力来计算挖掘机的受力 所谓挖掘机的理论挖掘力是忽略了各种能量损耗后，假定挖掘机所 有的力全部作用在土壤上。铲斗挖掘时计算整机理论挖掘阻力时要考虑 的有： ( 1 ) 整机稳定性的影响问题； ( 2 ) 不同挖掘方式的影响( 铲斗挖掘与斗杆挖掘) 问题； ( 3 ) 油缸最大闭锁力时的挖掘力问题。 3 根据铲斗对土壤的切削力来计算工作装置的挖掘力 在挖掘过程中，当挖掘力足够大时，土在铲斗的作用下发生松散与 挤压两种现象，且此时土粒与土粒、土块与土块、土与铲斗之间都存在 摩擦阻力。这些阻力表现在土的内摩擦力和土的原始结构破坏时所产生 的阻力。 2 2 1 挖掘力的概念及其计算方法 挖掘力是衡量反铲装置挖掘性能的重要指标之一。关于挖掘力的概念 目前国内尚无统一的定义。因此可比性较差。为便于进行设计方案的分 析比较对挖掘力的概念规定如下： 挖掘力是指当反铲作业时，在铲斗齿尖上可能主动发挥的挖掘能力， 它是衡量反铲装置挖掘性能的重要指标之一。 反铲装置挖掘力可分为工作油缸的理论挖掘力、整机的理论挖掘力 和整机的实际挖掘力。下面对前两种挖掘力进行简述。 1 t 作油缸的理论挖掘力 工作液压缸的理论挖掘力是指由该液压缸的理论推力所能产生的斗 齿切向挖掘力。对于已定的工作装置，如图2 - 4 、图2 5 所示，铲斗的油 缸理论挖掘力是铲斗油缸瞬时长度的函数。 图2 - 4 铲斗受力分析图图2 5 斗杆受力分析图 ( 1 ) 转斗挖掘时，铲斗油缸的理论挖掘力 号。一弓l = ，慨) ( 2 - 1 ) 式中：p 3 - - 铲斗油缸理论推力，p 3 = f 3 p ，f 3 为大腔作用面积， p 为系统工作压力。i 为传力比，当i = f 一时，得最大理论挖掘力 p 叫m = p ，j 。 、 ( 2 2 ) ( 2 ) 斗杆挖掘时，斗杆油缸的理论挖掘力 只。- 只n ，n r k 厶l c 2 - 3 ) 式中：p 2 - - 斗杆油缸理论推力，r 5 是l 2 的函数，r 6 是l 3 的函数， 所以p 。是l 2 和l 3 的函数。 2 整机理论挖掘力 液压挖掘机处于某一工况下，工作油缸的主动挖掘力能否实现主要 取决于下列条件： ( 1 ) 工作油缸的闭锁能力： ( 2 ) 整机的工作稳定性； ( 3 ) 整机与地面的附着性能； ( 4 ) 土壤的阻力； ( 5 ) 工作装置的结构强度。 当全面考虑这些条件后求得的工作油缸能实现的挖掘力值就是整机 在该工况下的挖掘力。求整机理论挖掘力按下列假定进行： ( 1 ) 考虑整机自重； ( 2 ) 在挖掘过程中斗中土视为其重心与铲斗重心一致； ( 3 ) 不考虑液压系统和连杆机构的效率； ( 4 ) 不考虑油缸小腔背压： ( 5 ) 不考虑土壤阻力和工作装置结构强度限制； ( 6 ) 不考虑停机面坡度、惯性力、动载等的影响。 当使用铲斗液压缸挖掘或斗杆液压缸挖掘时，整机理论最大挖掘力 受动臂液压缸闭锁力w 1 ，斗杆液压缸闭锁力w 2 ，铲斗液压缸闭锁力w 3 ， 地面附着条件的限制所克服的归大挖掘力w 4 ，整机稳定状态所克服的最 大挖掘力w 5 等因素的影响，其实际产生的最大挖掘力是w l 、1 i | 2 、w 3 、 w 4 、w 5 中最小的一个。 2 2 2 挖掘阻力的分析 反铲装置工作时，即可用铲斗油缸挖掘( 简称转斗挖掘) ，也可用斗 杆油缸挖掘( 简称斗杆挖掘) ，或做复合动作挖掘。 1 转斗挖掘阻力的计算 转斗挖掘时，土壤切削力随挖掘深度改变而有明显变化，经实验转 斗挖掘时的切削阻力与切削深度基本上成正比。但总的来说，前半过程 1 4 切削阻力较后半过程高，因前半过程的切削角不利，产生了较大的切削 阻力。切削阻力的切向分力与土壤硬度、转斗切削半径、挖掘过程中铲 斗总转角、铲斗转角切削刃宽度、切削角、斗侧壁厚度和切削刃挤压土 壤的力有关。转斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力计算，也 把半月形切削断面看作相等面积的条形断面，条形断面的长度可看作成 斗齿转过的圆弧长度与其相应之弦的平均值。一般所谓平均阻力是指装 满铲斗的全过程阻力平均值，国外有试验认为平均挖掘阻力的8 0 。 转斗挖掘时，挖掘阻力的切向分力可表示为： 即科一剥j 一( ：埘 式中：c - - 土壤硬度系数，对级土，c = 5 0 8 0 ； r - - 转斗切削半径，取r = 1 3 ，单位：c m ： b 一切削刃宽度影响系数，b = 1 + 2 6 b ，b 为铲斗平均宽度； 由一铲斗瞬时转角，单位：。； 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 = o 7 5 ；无齿时，z = 1 ； i ) - - 与斗容量q 有关，估算q = o 1 0 2 , t j 3 时，d = 5 0 0 0 8 0 0 0 n 当由= 由m e x 时，得最大挖掘阻力： 一- 咄d 一s 红f ”b a z x + d ( 2 5 ) 平均挖掘力按平均厚度下的阻力计算，近似取： i l = ( ? 似8 镰) t 1 一 ( 2 - 6 ) 2 斗杆挖掘阻力的计算 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vg 为5 0 。8 0 。，在这转角行程中铲斗 被装满。一般斗杆挖掘阻力为： 暇；- 蜀g ，00 1 7 4 5 n l ( 2 - 7 ) 对级土，k o = 6 1 3 ， v g 为挖掘过程中的总转角。 一般斗杆挖掘阻力比转斗挖掘阻力小，主要原因是前者切削厚度较 小。显然，研究挖掘阻力的目的是确定需要的斗齿挖掘力及其变化规律， 以便在工作装置设计中予以保证。挖掘力太小挖掘能力自然降低，但挖 掘力太大或其变化规律与阻力的变化不适应，则功率利用率要降低。 而且，同一挖掘位置时不同挖掘角度值对挖掘力的影响总体呈上升 的趋势，即铲斗总转角越大，土壤的挖掘阻力越大。因而在疏松的土壤 条件下应采用大的总转角，相反，坚硬的土壤宜采用小的总转角，这样 能延长挖掘机的使用寿命，节约使用成本。 在工程实际中，当挖掘机在工作过程中遇到大而坚硬的不能发生位 移的障碍物而突然停下来时，在斗尖上出现的瞬态力远大于正常挖掘力。 这是因为： ( 1 ) 当工作装置突然停下来时，正在工作的油缸亦突然停下且速度随 之为零。此时相当于工作油缸的出油口突然关闭，从而导致油缸内的压 力瞬间急骤上升，使斗尖上出现了因液压冲击引起的瞬态力。 ( 2 ) 当工作装置以速度v 或角速度口。运动而突然停下来时，工作装 置在很短时间内产生很大的负加速度，因而在斗尖和接触物之间会产生 一个很大的作用力和反作用力，即在斗尖上亦会出现因惯性力所引起的 瞬态力。 对于结构而言。冲击的频率很可能会与工作装置某些阶次的固有频 率可能相同或相近，因此对工作装置进行模态分析，对挖掘机设计具有 重要的现实意义。 2 3 静力分析中计算工况的选取 2 3 1 工况姿态的选取 每一台挖掘机的挖掘工况由动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的变化 可以组成几万种工况，所以如何确定工作装置( 动臂、斗杆) 在外载荷 作用下的一个或几个最不利工况作为挖掘机工作装置强度计算的工况， 进行精确的强度校核，从而为设计出更为经济合理、安全可靠的液压挖 掘机提供依据，是非常重要的。 对于结构的强度设计分析，首先要确定最不利工况，计算这个工况 下构件产生的较大的内力和应变，作为研究设计的依据。因此，必须首 先选择计算工况，本文参考相关资料选定三种静力计算典型工况。 1 工况一 挖掘机处于停机面最大挖掘半径处，铲斗挖掘，铲斗在发挥最大挖 掘力位置进行挖掘。 在挖掘机的设计规范中，最大挖掘半径是评价挖掘能力的主要标准 之一，它决定着挖掘机的挖掘范围。因而，在设计时，技术人员必须考 虑清楚该位置的受力情况。 该位置出现在斗杆油缸全缩，铲斗齿尖、斗杆与铲斗铰接点及斗杆 与斗杆油缸铰接点这三点处于同一直线上，且大臂油缸缩进使铲斗齿尖 处于地面上，如图2 - 6 所示。在该位置处，在挖掘的过程中也将受到很 大的土壤阻力。因此考虑此位置的受力与冲击将是动力学分析和强度检 验的一项重要内容。 2 工况二 挖掘机处于最深挖掘位置处，铲斗挖掘，铲斗在发挥最大挖掘力位 置进行挖掘。 此位置出现在动臂油缸全缩，即动臂位置最低处，此时斗杆与斗杆 油缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点及铲斗齿尖在同一直线上且垂直于挖掘 面，如图2 7 所示。该位置处，铲斗中物料较多，土壤挖掘阻力较大， 大臂、斗杆与铲斗的受力都很大，同时该位置也是用于计算斗杆与铲斗 的危险情况的典型受力位置。因而，此位置也是整个动力学分析中较为 重要的一个姿态。 3 工况三 大臂、斗杆处于最大受力位置处，铲斗在发挥最大挖掘力位置进行 挖掘。 大臂、斗杆最大受力位置出现在动臂油缸全缩，斗杆与斗杆油缸铰 接点、斗杆与铲斗铰接点及铲斗齿尖在同一直线上且垂直斗杆油缸，如 图2 - 8 所示。据计算，此位置对动臂与斗杆都产生最大的力矩，是大臂 和斗杆出现危险截面处的工况。相同挖掘力作用时，对动臂、斗杆产生 的作用力最大。 图2 0 6 停机面最大挖掘半径位置 图2 7 晟深挖掘位置 犬粥 。、| 1 步。 图2 - 8 动臂、斗杆最大受力位置 图2 - 9 应力分布假设 1 7 2 3 2 动臂铰接点处受力分析 工作装置各构件通过销连接，在计算工况中不考虑偏载的影响，可 以认为其只承受x 、y 方向的力，整个结构为静定结构，在各工况的计 算位置图所定座标系中，分别取工作装置做为整体及将动臂作为隔离体， 根据静力学平衡原理和对不同的铰点取矩，在该工况受力情况下，即可 计算出动臂各铰点的反力。 但这样求出的力都是合力在实际结构中，在动臂各个铰点处，作 用在支座和销轴上的载荷不是集中载荷，也不是简单的均布载荷，而其 附近的应力分布又是我们建模所必须的，为模拟实际情况，根据实际经 验作如下假定： 1 载荷在x - y 平面内在1 8 0 0 范围内按余弦布； 2 分布力的方向为沿销孔表面的法向； 3 。载荷在z 肉均布。 2 4 本章小结 本章简要介绍了反铲式液压挖掘机的结构组成，介绍挖掘机工作装 置的工作特点，对其受力进行理论分析，并选定了有限元静力分析中的 计算工况。 第三章有限元法及工作装置运动仿真 3 1 有限元法 “有限元法”这个名词，第一次出现在1 9 6 0 年，当时c 1 0 u g h 在一 篇平面弹性问题的论文中应用到它，自此以后，有限元法在工程界得到 广泛应用。到2 0 世纪7 0 年代后，随着计算机技术的不断发展，有限元 法也随之迅速发展起来，逐渐成为求解工程各领域数理方程的一种通用 的近似计算法。尤其是近4 0 年来，它己经先后应用于机械工程和汽车工 程中各种结构件、传动件的计算分析中，并解决了许多实际的工程问题， 可以毫不夸张地说，有限元法已经成为计算机辅助设计( ( c a d ) 中一个不 可或缺的部分。 有限元分析技术( f i n i t ee le m e n tm e t h o d ) 是种数值离散化方法， 根据变分原理求其数值解。它是近3 0 年来工程计算方法领域中的一项 重大成就，是结构或多自由度体系分析的有力工具，有限元软件已成为 c a d c a m 系统的重要组成部分。 有限元的基本思想是：在整体结构进行结构分析和受力分析的基础 上，对结构加以简化，利用离散化方法把简化后的连续结构看成是由许 多有限大小、彼此只在有限个节点处相连接的有限单元的组体。然后从 单元分析入手，先建立