（机械工程专业论文）挖掘机动臂应力仿真分析与试验验证.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着国民经济的高速发展，液压挖掘机起的作用越来越大，挖掘机市场因此迅猛增长， 独资和合资企业纷纷进入中国市场，使得挖掘机市场竞争愈来愈激烈。客户对挖掘机整机可 靠性的要求也越来越高。 工作装置是液压挖掘机的重要部件，对挖掘机性能有着十分重要的影响。而动臂又是工 作装置的主要承载受力部件，动臂的设计更加关键，要使动臂得到可靠而又经济的结构尺寸 和形状，就必须采用先进的设计手段。 在这种情况下，计算机辅助工程c a e 分析技术和软件就成为关键的技术要素。用c a e 技 术可以对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状况和作业行为进行模拟， 及早发现设计缺陷，并验证未来工程、产品功能和性能是否可用、可靠。在产品开发阶段， 企业采用c a e 技术对零部件或产品进行仿真，可在产品样机试制前发现产品缺陷，优化产品 设计，极大降低产品开发成本，为新产品的成熟稳定和市场导入奠定了坚实的基础，从而大 大地提高了企业的竞争力。 本文提出作业仿真的方法，在不同工况和载荷组合下对动臂指定部位进行应力普查和工 况归纳分析，然后根据分析结果，从中选出对结构强度影响最大的工况和载荷，作为下一步 有限元分析的工况和载荷。本文还对动臂的结构进行仔细分析，确定了动臂有限元分析模型 的简化方法以及约束和载荷的处理方法。本文最后通过试验测试对有限元分析结果进行验证， 评价有限元分析的可靠度。 关键词挖掘机工作装置工程机械作业仿真c a e i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t i a c t a b s t r a c t h y d 舢l i ce x c a v a t o ri sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e da l o n g w i t ht h eh i 曲d e v e l o p m e l l to f n a t i o n a le c o n o m y ；t h e r e f o r et h em a r k e ti si n c r e a s e dq u i c l d y m a n ys i n 露ep r o p r i e t o r s l l i pa n dj o i n t v e n t u r ee n t e 印d s e se n t e ri n t oc 1 1 i n e s em a r k e tm a k et h ec o m p e t i t i o no fe x c a v a t o rm a r k e tm o r ea n d m o r e6 e r c e l i m p l e m e n ti st h em a i nc o m p o n e n to fe x c a v a t o r ，i ti sv e 巧i m p o r t a n tt oe x c a v a t o rp e r f o n n a n c e b o o mi st h em a i nw o r 虹n gc o m p o n e l l to f i m p l e m e n t ，t h ed e s i g no f b o o mi sm u c hm o r ec m c i a l t b d e s i 盟r e i i a b l ea 1 1 de c o n o l t l i cs t m c t u r ea n dd i m e n s i o nf o r b o o m ，i tm u s tu s ea d v a n c e dd e s i 盟 m e t h o d c o i n p u t e r - a i d e de n 百n e e r i n ga n a l y s i st e c l l i l i q u ea 1 1 ds o f t w a r eb e c o m et h ek e yi m p o r t a n t t e c l l l l i q u ee l e m e n t i nt 1 1 i sc i r c u m s t a n c e b yu s i n gc a e t e c l l l l i q u e ，i tc a na n a l y z et h ep e r f o m a n c e a n dr e l i a b i l 时o fp r o j e c ta n d p r o d u c t ，a l s oc a ns i m u l a t et h ew o r k j n gc o n d i t i o na i l do p e r a t i n ga c t i o n ， m a k ei tt of i n do u tt h ed e s i 趴d e f e c ta ta 1 1e a r l yd a t e ，v a l i d a t et h ep m d u c t 缸1 c t i o na 1 1 dp e 渤m a n c e a tt h ep r o d u c td e v e l o p m e n t p e r i o d ，e n t e 印r i s eu s ec a et e c l l l l i q u et os i m u l a t ec o m p o n e n t so r p r o d u c t s ，s op r o d l l c td e f e c tc o u l db ef o u n do u tb e f o r ep r o t o t y p em a d e ，t h e no p t i m i z et h ep r o d u c t d e s i g n i nt h i sw a 弘i tc u t sd o w nt h ep r o d u c ti 【e v e l o pc o s t 伊e a t l y ，a l s om a k e sas t r o n gf o u r l d a t i o n f o rn e wp r o d u ds ta _ b i l i z 撕o na n d m a r k e t i n g1 e a d i n 争i n ，a c c o r d i n g i ye n t e 印r i s ec o m p e t i t i v ep o w e r w o u l db e 1 1 i g l l l ye n h a n c e d f o rt h ew o 出n gs i m u l a t i o nt e c ：i l n i q u et h i s 甜i c l e 、r o t e ，i tm e a n sc h e 凼n gs t r e s sf o rs p e c i 矗e d p o s i t i o no fb o o mw i t hd i 巧玳n tw o r k 协gc o n d i t i o na r l d1 0 a d i n g ，a l s oa 1 1 a l y z et h ew o f i ( i n gc o n d i t i o n ， t h e i la c c o r d i n gt oa i l a l y s i sr e s u l t ，c h 0 0 s et h em o s te 侬州v ew o r k j n gc o n d i t i o na i l d1 0 a d i n gt o s t m c t u r ei n t e n s i t ya 8t h en e x ts t e pf i i l i t ee 1 e m e n ta n a l y s i s s i nt 1 1 i sa n i c l e ，t h r o u 曲趾a l y z i n gt h e b o o ms t m c n l r e ，e s t a b l i s ht h ep r e d i g e s tm e t h o do f b o o mf e a a n a l y s i s 觚dd i s p o s a lw a yf o r r e s t r i c t i o na 1 1 dl o a d i n g a tt h ee n do f t h ea n i c l e ，m e rv a l i d a t i n gt h ea i l a l y s i sr e s u l tb yf i e l dt e s t ， e v a l u a t et h ea n a l y s i sr e l i a b i l i 吼 k e y w o r d s e x c a v a t o r i n l p l e m e n t c o n s t m c t i o nm a c l l i n e o p e r a t i n gs i m u l a t i o n c a e i i i 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本课题是在浙江大学俞小莉教授的悉心指导下完成的。俞教授多次利用到柳州出差期间， 在百忙之中挤出时间，对课题开展进行指导，在她的帮助下课题研究得以顺利完成了并达到 了预期目标。在论文写作期间，俞教授还对论文的写作进行耐心的辅导，并多次提出了详细 的修改意见。俞教授渊博的学识、严谨的治学态度、实事求是的工作作风，给我极大的影响， 并将激励我以后的工作和学习。在此，向俞教授表示衷心的感谢! 本课题是在柳工总工程师章二平的领导和支持下开展实施的，在课题的开展全过程中， 章总工程师不仅给予细心的指导，而且密切关注课题的进展情况，同时还在课题活动中给予 资源协调和帮助。本课题的成功离不开他的帮助和鼓励。在此，向他表示衷心的感谢! 在开展课题的过程中，还得到了我的同事唐建国、冯豪、陆维、滕毅敏等的支持和帮助。 在此，对他们表示衷心的感谢! 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 引言 液压挖掘机是工程机械的一个主要机种，是土石方施工工程中的主要机械设备之一，主 要用来开挖和装卸土石方，矿山开采和采石等。随着多种工作装置如破碎锤、液压剪、植树 机等的开发，挖掘机的功能越来越强大，通过更换不同的工作装置可以实现破碎、拆除、植 树等多种功能。如今液压挖掘机越来越多地渗透到国民经济建设的许多行业如铁道建设、公 路交通、城乡建设、工业与民用建筑等。在各种工程建设领域，特别是在基础设施建设中起 的作用越来越明显。 1 2 研究背景 随着国民经济的高速发展，液压挖掘机起的作用越来越大，挖掘机市场因此迅猛增长。 独资和合资企业纷纷进入中国市场，使得挖掘机市场竞争愈来愈激烈。如何提高企业在挖掘 机市场的占有率，使企业在竞争中处于有利地位，成为当今所有国内挖掘机企业的首要任务。 现代社会对产品的要求就是不断创新，企业要在竞争中处于有利地位，就必须不断开发 新产品，以最快速度占领市场来满足客户的需求n 1 。开发新产品的关键，除了要有先进的设 计思想和理念外，最主要的技术手段就是采用先进可靠的计算机软件进行分析优化，提高产 品设计能力。如果在产品开发阶段就能把握好产品各方面的性能，优化产品设计，避免样机 试制时才发现缺陷，那就很容易降低产品开发成本，缩短产品开发周期，提高企业的技术创 新能力和技术实力n 1 。 挖掘机由于竞争需要，关键部件如发动机、泵、阀、马达等都是采用高品质专业厂家配 套，只有结构件是自制。与高品质配套形成反差的是，自制结构件的质量和可靠性不高，严 重制约了整机的水平。使得产品三包成本高，影响了产品的整体利润口1 。引起较大经济损失 的构件主要集中在工作装置上，而工作装置中又数动臂最严重。因此，在液压挖掘机开发设 计中，工作装置的设计是重要内容之一，它的可靠性对整机影响很大1 。而动臂作为工作装 置的主要承载受力部件，它的设计好坏直接关系到工作装置的使用寿命，因此动臂的设计更 加关键。如果能在设计阶段对动臂的应力分布状态和强度作出深入的分析和正确的评估，就 可避免使用过程中出现断裂等失效现象。 浙江大学硕士学位论文绪论 在这种情况下，计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 分析技术和软件 就成为关键的技术要素。在工程实践中采用c a e 技术可以对工程和产品进行性能与安全可靠 性分析，对其未来的工作状况和作业行为进行模拟 5 1 ，及早发现设计缺陷，并验证未来工程、 产品功能和性能是否可用、可靠。在产品开发阶段，企业采用c a e 技术对零部件或产品进行 仿真，可在产品样机试制前发现产品缺陷，优化产品设计，避免样机试制出来才发现问题， 极大地降低了产品开发成本，缩短了产品开发时间陆1 。在产品维护阶段，用c a e 分析产品故 障原因，可以大大减少试验时间和费用口1 。近年来，c a e 技术在工程机械领域得到广泛推广与 应用。 1 3 研究对象及课题来源 本课题以挖掘机工作装置的动臂为研究对象来分析其受力情况。动臂是挖掘机工作装置 的一个重要组成部分，在作业过程中，动臂的运动和受力情况比较复杂，这主要是因为： 作业工况复杂，作业对象千变万化，使得动臂的受力也复杂； 作业过程中，工作装置的运动都是由动臂、斗杆、铲斗的共同参与完成的，很少或几乎 没有部件单独完成的运动，这使得动臂的运动也复杂； 在挖掘过程中，挖掘阻力的大小和方向都在不断地变化，因而实际发挥的挖掘力的大小 和方向也是不断发生变化，动臂的受力大小和方向也不断发生变化。 本课题针对动臂的实际受力情况复杂这一特点，对动臂应力进行c a e 仿真分析，并通过 试验进行验证，把试验结果与仿真分析结果作比较，验证仿真分析结论的可靠度。 1 4 本课题国内外研究现状 1 4 1 国内外c a e 的研究现状 c a e 技术的研究始于2 0 世纪5 0 年代中期；6 0 7 0 年代处于探索阶段，有限元技术主要针 对结构分析问题进行发展，对飞机等进行模拟实验和分析，解决航空航天技术发展过程中遇 到的结构强度、刚度问题，7 0 年代初期开始出现c a e 软件。 7 0 一8 0 年代c a e 获得蓬勃发展，计算精度、硬件及速度平台的匹配、计算机内存的有效 利用及磁盘空间利用等方面都获得了很大的发展，并且涌现出了大量的机械软件。有限元分 析技术在结构和场分析领域获得了很大成功陋1 。8 0 年代中期c a e 软件已基本成熟，知名的软 件有n a s t r a n 、a n s y s 、m a r c 、m o d u l e f 等，但其数据管理技术尚存在一定缺陷，只能在当时 ， 浙江大学硕士学位论文绪论 的大型计算机和高档工作站上运行。 9 0 年代c a e 技术逐渐成熟壮大，软件不仅可以和各c a d 软件接口，在前后处理能力方面 也得到发展。 目前c a e 软件处于商品化蓬勃发展阶段，其理论和算法日趋成熟，已成为航空、航天、 机械、土木结构等领域工程和产品结构分析中必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续 过程各类问题的一种重要手段睁1 。其功能、性能、前后处理能力、单元库、解法库、材料库， 特别是用户界面和数据管理技术等方面都有了巨大发展。前后处理是c a e 软件实现与c a d 、 c a m 等软件无缝集成的关键性软件成份“叫，它通过增设与相关软件如p r o e 等软件的接口数据 模块，实现有效的集成，从而满足不同客户的需求。c a e 软件对工程和产品的分析、模拟能 力，主要决定于单元库和材料库的丰富和完善程度。单元库的单元类型越多，材料库里材料 的种类越多，软件的分析能力就越强。目前国际上先进的c a e 软件已经可以对工程和产品进 行如下的性能分析和行为模拟： ( 1 ) 静力和拟静力的线性与非线性分析 包括对各种单一和复杂组合结构的弹性、弹塑性、塑性、蠕变、膨胀、几何大变形、大 应变、疲劳、断裂、损伤，以及多体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析n ”； ( 2 ) 线性与非线性动力分析 主要是动力时程分析、振动模态分析、谐波响应分析、随机振动分析、屈曲与稳定性分 析等； ( 3 ) 声场与波的传播计算 主要是噪声计算，固体、流体和空气中波的传播分析，以及稳态与瞬态热分析，静态和 交变态的电磁场和电流分析，流体计算等“刘。 1 4 2 工程机械领域c a e 的应用 随着计算机技术和数值分析方法的发展，c a e 技术在工程机械领域已得到广泛的应用， c a e 分析软件也越来越多，其中数a n s y s 软件在工程机械领域的应用最为广泛。 著名的工程机械供应商卡特彼勒自1 9 9 6 年购买了a n s y s 后，在产品设计上就一直利用 a n s y s 进行c a e 仿真分析。在9 2 2 g 、9 9 4 装载机设计中都大量应用了a n s y s 进行仿真分析， 不仅使这些产品的结构形式更加合理和先进，而且节约了实物模型和试验费用。并且缩短了 产品开发周期，使产品很快推向市场。通过a n s y s 的应用，卡特彼勒在产品研发方面取得了 良好的效果。 英国丁c b 公司在产品设计时，c a e 仿真分析也一直发挥着重要作用。设计人员把概念设 气 浙江大学硕士学位论文绪论 计阶段时的各种想法建立到a n s y s 中，然后进行快速的求解分析，对各种不同的设计想法所 计算的结果进行比较和选择，选出经济性、安全性、舒适性和工艺性方面最合适的一种设计。 这种分析方法还用在底盘、车架、动臂等结构和部件的设计中。j c b 通过c a e 分析技术，对 那些可能使产品不断完善的新设计理念作出快速反应，并进行全面评价，从而大大加快了产 品开发速度。 上海港机股份有限公司是中国最大的港口机械供应商，其生产的各种大型散货和集装箱 装卸机械遍及世界各大港口。这个公司自8 0 年代以来c a e 仿真分析一直在生产设计中发挥着 重要作用。其为三峡大坝浇筑特别设计的高架门机的门架顶升快速接头就因采用c a e 分析省 去了实模实验，不仅省掉了大量资金而且节约了开发时间。 1 4 3 液压挖掘机c a e 的应用 在液压挖掘机方面，国外企业不论在整机还是部件的设计上都利用c a e 进行结构和形状 优化。液压挖掘机的设计已经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。不再是以往经验的、静止的、随意性较大的传统设计。这种现代化设计不 仅周期短、设计方案优越，而且能对液压挖掘机的性能、可靠性等进行预测。 国内企业虽然在液压挖掘机的研究和开发方面也做了不少的工作，但由于受客观条件限 制，真正用c a e 技术进行分析优化的不多，特别是与试验相结合进行验证的就更少。目前国 内企业利用c a e 软件对液压挖掘机的分析主要在以下几方面： ( 1 ) 运动分析：历来这方面的研究都在不断进行，理论基础比较成熟，研究成果也比较 多，但大多未与有限元分析相结合。如利用运动仿真、作业仿真来模拟作业过程，选取有限 元计算分析工况等。柳工在液压挖掘机设计时，在运动分析这方面运用得不错，与大学合作 开发的液压挖掘计算软件可进行性能综合分析、起重能力分析、铰点力分析、运动仿真分析、 作业仿真分析、机器稳定性分析，还可进行工作装置优化设计等。但是，同样存在未与有限 元分析相结合的问题。 ( 2 ) 有限元分析：主要集中在工作装置的某部件上的应力分析，由于受各种因素的影响： 如计算分析工况的合理性，分析模型的正确性等，分析结果的可信度不高，且未能与试验验 证结合，对分析结果进行正确评估。 1 4 4c a e 仿真与测试的协同 测试与仿真是工程师发现、了解并解决产品工程问题的两种最主要的途径和方法。随着 计算机硬件的发展及c a e 算法的进步，越来越多的产品测试可用仿真分析取代。但这必须以 提高仿真分析技术的可信度为前提。仿真技术的提高要求仿真模型及算法较以前更需要真实 4 浙江大学硕士学位论文绪论 的测试数据为依托，同样因测试数量的减少，有效成功的测试变得更为困难且更加重要，而 c a e 仿真又正是帮助实现规划有效测试的最佳途径。因此与c a t ( c o m p u t e ra i d e dt e s t ) 测 试协同的仿真成为当今c a e 工程师的重要研究课题及方向。 c a e 的核心思想是以复杂工程问题为背景，建立经过简化、离散的分析模型，借助计算 机数值模拟，获得对相应物理行为的解答。能否真正达到c a e 仿真目的取决于所建立的分析 模型的正确性，然而模型的建立过程中存在许多不确定因素，如模型的简化，参数的确定， 载荷、边界条件的模拟等“”。不同的分析师会有不同的方法，因而结果也不尽相同。通过对 真实模型进行测量，可获得相关参数，对c a e 模型进行分析，验证其正确性，并进行相应优 化。 同时，测试数据作为验证分析模型的基准，必须确认其获取过程及仪器布置是有效的和 适当的。通常测试数据的准确度往往受到测试环境、测试仪器、载荷及边界条件、测试点选 取及导出数据的处理等因素的限制。所以要对测试进行预分析并进行合理的规划，以保证测 试的有效性。 仿真和测试面向同一工程研究对象，是相互独立又相互联系的。仿真一一测试协同的积 极作用是以c a e 帮助测试选取有效测量设置；再根据测量数据，通过不断优化获取有效的c a e 模型。随着c a e 仿真的普及，c a e 仿真与c a t 测试协同也将会获得越来越多的关注。 1 5 本课题的研究意义和目标 液压挖掘机是工程机械中的一个主要机种，在国民经济建设的许多行业里被广泛采用， 在国家基本建设中发挥着其他工程机械产品所不能替代的作用。但是国内企业大部分进入这 个行业的时间较晚，起点也较低，技术研发能力与国外有一定的差距。尤其是工作装置的可 靠性，如动臂的断裂、斗杆的断裂、铲斗的开裂等成为制约国产企业提高知名度和市场占有 率的最大障碍。因此解决工作装置的可靠性，成为提高国产挖掘机设计制造水平的首要问题。 而动臂又是挖掘机工作装置中的主要承载受力部件，动臂设计优劣对挖掘机使用寿命影响极 大n 引。因此对工作装置的动臂进行研究，积累经验后扩展到对整个工作装置进行研究，对提 高整个工作装置的可靠性有一定的指导意义。 液压挖掘机动臂，为了实现等强度设计，一般设计成不规则的箱形焊接结构，传统的动 臂的强度计算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n 5 “1 。但由 于动臂结构与理想梁相差甚远，且在工作时通常承受拉、弯、扭等几种外力，应力分布十分 浙江大学硕士学位论文绪论 复杂，按梁来计算显然会有较大的误差，并且无法反映整个动臂结构的变形和应力情况m 1 。 这种设计还容易形成设计中的“人为”应力集中点，造成动臂整体强度的削弱甚至破坏。按 这种设计生产出来的动臂，外观看起来很强壮，但却存在着潜在或内在的设计缺陷，使用过 程中，如果工况恶劣容易产生裂纹，甚至发生断裂，致使整个动臂报废，造成重大经济损失。 因此，全面了解动臂在作业过程中的应力状况、强度分布情况，发现薄弱环节是动臂设计的 首要任务n 引“引。这也是动臂结构进一步优化，动臂改进设计所必须的。 本课题将对动臂在第三种典型载荷型式下的最不利工况的应力进行分析，全面了解动臂 的应力水平。并进行针对性试验，把试验结果与仿真分析结果作比较，验证仿真分析结论的 可靠度。 经过本课题的研究，预期可以达到以下目标： 找出恰当的动臂仿真分析方法，用于动臂设计和改进，缩短开发周期、降低开发成本； 提高c a e 仿真应力分析可信度，并形成一些c a e 应力分析建模方法和分析规范，为指导 以后的c a e 应力仿真分析奠定基础； 建立企业自己的应力仿真规范和知识库，实现对应力仿真知识的积累和继承，真正应用 好c a e 应力仿真分析技术。 1 6 课题的主要研究内容及拟解决的关键技术问题 1 6 1 本课题的主要研究内容： 本课题将从两方面对该动臂进行应力分析、研究，一是数值仿真分析研究，包括仿真工 况、载荷条件确定，有限元分析模型建立和求解等；二是试验验证，主要是根据仿真工况进 行相关试验测试，用以验证仿真模型和求解结果等。经过这两方面的工作，可以得到该动臂 的仿真结果和试验测试结果，将仿真结果与试验结果进行对比分析，验证仿真分析的可信度。 具体工作如下： 动臂计算工况分析与确定，载荷计算； 根据动臂实物的结构尺寸，利用p r o e 建立有限元模型； 根据实际情况选择单元，对模型进行合理的网格划分； 利用a n s y s 软件对模型进行仿真分析，得出动臂的应力分布情况，得到可靠的分析数据； 按照有限元分析工况进行模拟试验，利用应力、应变方法测量动臂的应变情况，然后与 有限元分析结果进行比较，验证有限元分析的可靠度； 6 浙江大学硕士学位论文绪论 不断优化仿真方法，达到仿真结果与试验结果的吻合。 1 6 2 本课题拟解决的关键技术问题： 合理选取动臂的应力计算分析工况： 过去动臂应力计算工况的选取基本上都是根据教科书的推荐采用典型工况方法。一 般认为挖掘工作时，动臂最大载荷会出现在以下两种工况n 刚： ( 1 ) 动臂液压缸全缩，动臂位于最低，斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与动臂铰点 三点位于垂直线上，铲斗挖掘，铲斗边齿遇到障碍时； ( 2 ) 动臂位于动臂液压缸作用力臂最大值处，斗杆液压缸作用力臂最大( 斗杆液压 缸与斗杆尾部轴线夹角9 0 度时) ，铲斗发挥最大挖掘力位置时。 值得进一步探讨的是动臂最大应力是否一定出现在上述两种工况之下? 当动臂结 构参数和动力学参数改变时，其应力分布状况将如何变化? 尤其是针对动臂特定部位进 行分析时，传统的计算工况选取方法是否适用? 有限元分析模型的处理： 动臂主要承受挖掘程中产生的弯矩和偏载挖掘时形成的扭矩乜，因此动臂的前部、 中部、后部结构的设计各不相同。动臂根部和中部油缸支承处经常在腹板外侧进行贴 板加厚，中部截面高度大于宽度，前部截面宽度和高度相当。整个动臂就是一个变截 面的箱形结构且腹板厚度不一，不同厚度的腹板之间加垫板进行对接焊接，如何正确 处理这些位置的焊缝和垫板是分析模型必须解决的问题；另外，动臂箱形结构内部的 加强筋如何合理处理也是一个难题；动臂各铰点是通过销与其它部件进行联接的，动 臂上销孔的处理也很关键。 测试工况与仿真工况的一致性： 测试是通过模拟整机作业过程某一姿态即工况对动臂进行测试的，动臂测试工况的 位置是由动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的长度共同决定的，这就使得准确模拟动臂仿 真工况比较困难，如果两者工况不一致，可能会影响对仿真结果的评价。 应力测试仪器零点飘移的排除： 试验测试采用应力应变测量。由于应变是一个非常小的量，测试时容易受其他因素 干扰，如应变片粘贴不当，连接导线的焊接不牢，导线处理不妥等，使仪器产生零点飘 移，给测试结果带来很大误差，从而影响对仿真结果的评价。 浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置受力分析 2 液压挖掘机工作装置受力分析 2 1 反铲工作装置的结构和工作特点 液压挖掘机是一种采用液压传动并以铲斗进行挖掘的周期作业的土方机械。一般采用单 斗，单斗液压挖掘机是目前挖掘机中最重要的品种旺2 1 。 单斗液压挖掘机的基本组成部分：工作装置、回转装置、动力装置、传动操纵机构、行 走装置和辅助设备等。工作装置有正铲和反铲之分，反铲是最常用的工作装置。反铲工作装 置可以看成是由动臂、斗杆、铲斗、动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸、连杆机构组成。 各构件之间的联接全部采用铰接，并通过各液压缸的伸缩来实现各种挖掘动作n 引。动臂下铰 点铰接在回转平台上，通过动臂液压缸来支撑和改变动臂的倾角，并通过动臂液压缸的伸缩 来使动臂绕下铰点转动从而实现动臂的升降，从而带动整个工作装置运动，实现作业功能。 斗杆铰接于动臂的前端，依靠斗杆液压缸的伸缩来控制斗杆与动臂的相对运动。铲斗铰接于 斗杆前端，通过铲斗液压缸的伸缩来控制铲斗的转动，使铲斗绕斗杆前端转动。图2 1 为反 铲液压挖掘机工作装置组成。 图2 1 反铲液压挖掘机工作装置 浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置受力分析 反铲液压挖掘机的作业过程是以铲斗的切削刃切削土壤并将土装入铲斗内，铲斗装满后 提升、回转至卸土位置进行卸土妇引，然后再返回进行下一循环作业。因此液压挖掘机是一种 周期作业的土方机械。每一作业循环包括挖掘、回转、卸料和返回四个过程。挖掘时先将铲 斗向前伸出，动臂带着铲斗落在要挖掘的土壤工作面上，然后铲斗向着挖掘机方向拉转，挖 掘出一条弧形并装满土壤。随后将铲斗连同动臂一起提升，通过上部平台旋转带动铲斗及动 臂回转到卸土处，将铲斗打开进行卸土。卸土后将动臂及铲斗回转并下放至土壤工作面，准 备下一循环的挖掘作业。 实际挖掘作业过程中，由于土质情况不同，作业条件的变化以及液压系统的限制，反铲 液压挖掘机三种液压缸的配合是多种多样的，有时是两组油缸同时工作，有时是三组油缸同 时工作。液压挖掘机就是这样通过三组液压缸的配合使铲斗实现有限的平面运动，加上回转 马达的回转驱动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再加上行走马达的作用，挖掘完一段土后 机器移位继续作业，从而实现挖掘作业要求。 2 2 工作装置运动轨迹分析 反铲液压挖掘机主要用于挖掘停机面以下土壤。铲斗运动轨迹取决于三组液压缸的运动 及其配合情况。挖掘动作简单地可以分为动臂挖掘、斗杆挖掘、铲斗挖掘。 1 、动臂挖掘 当采用动臂液压缸工作进行挖掘时，铲斗的运动轨迹是以动臂下铰点为中心，斗齿尖至 该铰点的距离为半径作的圆弧。其极限位置取决于动臂的摆角即决定于动臂液压缸的行程。 这种挖掘方式时间长，且由于稳定条件的限制，实际挖掘过程中很少采用。 2 、斗杆挖掘 当以斗杆液压缸工作进行挖掘时，铲斗的运动轨迹是以动臂与斗杆的铰点为中心，斗齿 尖至该点的距离为半径作的圆弧。作业范围取决于斗杆液压缸的行程。当动臂液压缸全缩时， 用这种方式进行挖掘时，可以得到最大的挖掘深度。这种挖掘方式在较坚硬的土质条件下， 能够保证装满铲斗，实际挖掘作业过程中常常采用。 3 、铲斗挖掘 当以铲斗液压缸工作进行挖掘时，铲斗的运动轨迹是以铲斗与斗杆的铰点为中心，该铰 点至斗齿尖的距离为半径作的圆弧。作业范围取决于铲斗液压缸的行程。这种挖掘方式进行 挖掘时，挖掘行程较短，如要使铲斗装满土需要有较大的挖掘力以保证挖掘较大厚度的土， 9 浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置受力分析 所以液压挖掘机铲斗最大挖掘力比斗杆最大挖掘力要大。因此，实际作业过程中最常采用。 但是在实际挖掘过程中，很少采用某一单独液压缸工作进行挖掘，往往需要采用各种液 压缸联合工作。如当挖掘陡而平整的基坑壁时，由于深度较大，通常采用动臂与斗杆液压缸 同时工作。当挖掘坑底时，为了使铲斗快速装满土，需要斗杆与铲斗液压缸同时工作心副。有 些情况还需要动臂、斗杆、铲斗三组液压缸同时工作，因此铲斗的运动轨迹即挖掘机的挖掘 轨迹是由各种联合工作液压缸共同控制的。当各种液压缸的长度为一确定值时，铲斗齿尖位 置就为一确定值。 当工作装置各构件：动臂、斗杆、铲斗、连杆和各液压缸的几何参数确定下来以后，将 各构件的长度参数作为原始参数，再将原始长度参数推导为运算过程需要的各种角度参数。 然后利用这些角度参数就可以计算出动臂、斗杆、铲斗的转角范围，将这三个转角范围离散 成n 个转角，整个工作装置就有个n 3 个状态，把这些状态下铲斗齿尖的位置作出来，就可以 得到工作装置的运动轨迹，如图2 2 。 图2 2 工作装置的运动轨迹 2 3 工作装置的设计要求 工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一，工作装置的优劣直接关系到整机的性能和 可靠性。由于液压挖掘机环境恶劣，作业条件艰苦，工作装置又是直接与作业对象接触，经 常受到振动和冲击，因此工作装置的设计要求比较高。一般要求主要有： 1 、作业范围要求 1 0 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置受力分析 液压挖掘机为了满足一定的功能都有作业范围要求，如挖掘高度、挖掘半径、挖掘深度 等要求。除此之外，为了和其它元件的匹配，还要满足合理性要求，即在主要挖掘区内能实 现最大挖掘力。 2 、整机稳定性要求 整机的稳定性与工作装置密切相关。液压挖掘机既要求有较大的离地间隙又要求整机在 挖掘过程中保持稳定。这就要求工作装置的设计要合理。 3 、可靠性要求 工作装置承受的载荷十分复杂，应保证在各种作业工况下有足够的强度。 4 、经济性要求 工作装置在满足使用要求的同时应考虑经济性问题。在满足强度的前提下应尽可能轻。 2 4 工作装置载荷分析和强度计算 液压挖掘机的作业过程实际上就是铲斗切削刃克服土壤的阻力，切入土壤，使土壤受到 挤压、剪切等变形而被剥离的过程。在这土壤被剥离的过程中，土壤的条件不断变化，工作 装置作业工况也随着改变，挖掘阻力也跟着变化。在挖掘过程中工作装置受拉压、扭转、振 动和冲击等多种载荷作用，且随着姿态的变化挖掘力大小和方向也不断变化，情况非常复杂， 因此一般避免讨论挖掘全过程的土壤情况来讨论挖掘力。对挖掘过程的受力分析，主要有以 下几种方法： l 、功率谱计算法 根据不同的工况，对挖掘力的功率进行测量，得到不同工况时土壤阻力的功率谱n6 | 。当 获得不同工况的功率谱后，就可以根据这些功率谱数据进行计算。这种方法很好，但实施起 来很困难，到目前为止还无法获得足够多的土壤的功率谱。 2 、理想状态下根据挖掘机本身对土壤的作用力来计算挖掘力 根据液压缸的推力，忽略某些能量损耗后计算得出挖掘力。 3 、根据切削刃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，土在切削刃的作用下被挤压而发生剥离，此时土壤 颗粒之间，土壤与铲斗之间都存在土的内摩擦力、土的原始结构破坏时产生的阻力、土与切 削刃间的摩擦力。挖掘机的挖掘力与挖掘阻力相适应，与这些阻力相接近，因此，这些阻力 可视为挖掘力的大小。 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置受力分析 本文将采用第2 种方法对挖掘机在作业工况下能实现的斗齿尖的挖掘力进行分析，为了 方便叙述，先介绍挖掘机的参数和坐标系设定。 2 4 1 参数和坐标设定 液压挖掘机的总体坐标设定如图2 3 所示：总体坐标系的x 轴是停机水平面，y 轴通过 回转中心垂直于x 轴，x 轴与y 轴的交点为坐标系原点。图中各参数的含义如下： a 表示动臂液压缸与回转平台的铰接点，b 表示动臂液压缸与动臂的铰接点，c 表示动臂 与回转平台的铰接点，d 表示斗杆液压缸与动臂的铰接点，e 表示斗杆液压缸与斗杆的铰接点， f 表示动臂与斗杆的铰接点，g 表示铲斗液压缸与斗杆的铰接点，m 表示铲斗油缸与连杆机构 的铰接点，n 表示斗杆与连杆机构的铰接点，k 表示铲斗与连杆机构的铰接点，q 表示铲斗与 斗杆的铰接点，v 表示铲斗的齿尖。 图2 3 液压挖掘机的总体坐标系 动臂自身坐标系设定如图2 4 所示：x 轴通过动臂与平台的铰点c 且与f z 平行，y 轴通 过铰点c 与x 轴垂直，x 轴与y 轴的交点为坐标系原点。c z 、f z 为动臂中线。 图2 4 动臂的坐标系 1 2 浙江大学硕士学位论文液压挖掘枫工作装置受力分析 2 4 2 挖掘力分析 反铲液压挖掘机的挖掘力分为工作液压缸的理论挖掘力和整机的理论挖掘力。 1 、工作液压缸的理论挖掘力 不考虑工作装置自重和土重，不考虑液压系统的效率和连杆机构的效率，不考虑工作液 压缸的背压，工作液压缸外伸时由该液压缸理论推力所能产生的斗齿切向挖掘力定义为工作 液压缸的理论挖掘力。 a ) 如图2 5 所示，铲斗挖掘时铲斗液压缸的理论挖掘力为： r 。= 嚣善= b z c ： b 一一铲斗液压缸的理论推力，只= s ，p s ，一一铲斗液压缸大腔作用面积，p 为液压系统工作压力 吒、吃、吩、，一一力臂值，f 一一连杆机构传动比 p ， 图2 5 铲斗液压缸理论挖掘力计算简图 b ) 如图2 6 所示，斗杆液压缸的理论挖掘力为： r g = 曼吾 罡一一斗杆液压缸的理论推力，只= s ：p ； s ：一一铲斗液压缸大腔作用面积，p 为液压系统工作压力； 1 3 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置受力分析 吩、一一力臂值； 图2 6 斗杆液压缸理论挖掘力计算简图 c ) 动臂液压缸的理论挖掘力 对于反铲液压挖掘机，采用动臂液压缸工作进行挖掘时，挖掘时间长且由于稳定条 件限制挖掘力的发挥，实际挖掘过程中基本不采用这种挖掘方式。因此，动臂液压缸的 理论挖掘力一般不考虑。 2 、整机理论挖掘力 求整机理论挖掘力时按下列假定进行计算： 1 ) 机器重量和各构件重量简化到重心； 2 ) 挖掘过程中把土重看作是主动液压缸长度的分级线性函数，并且视土的重心与铲斗重 心一致； 3 ) 不考虑液压系统与连杆机构的效率； 4 ) 不考虑各组液压缸小腔背压； 1 4 浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置受力分析 5 ) 不考虑土壤阻力和工作装置各部件结构强度的限制； 6 ) 不考虑停机面坡度、风力、惯性力、动载等其它环境因素的影响。 按照以上的假定对挖掘机整机理论挖掘力进行计算。计算按常规的方法，不计入法向力 的影响，因为反铲液压挖掘机的对象比较均匀，法向力很小，为了简化计算可取零。因此整 机挖掘力大小由下列条件决定，取其中的最小值。 1 ) 动臂液压缸闭锁条件决定的挖掘阻力，； 2 ) 斗杆液压缸( 铲斗液压缸) 闭锁条件决定的挖掘阻力甄：； 3 ) 铲斗液压缸( 斗杆液压缸) 的主动力发挥决定的挖掘阻力瞩，； 4 ) 整机与地面的附着能力决定的挖掘阻力； 5 ) 整机向前倾翻条件决定的挖掘阻力，； 6 ) 整机向后倾翻条件决定的挖掘阻力。 觋，一甄。中的最小值是整机能实现的理论挖掘力，即是挖掘时斗齿所受载荷，也就是作 用在斗齿上的挖掘阻力形。 a ) 动臂液压缸闭锁条件决定的挖掘阻力， 动臂液压缸在被动状态下的抗拉能力取决于小腔闭p ，。，设p 为动臂液压缸限压阀调定 压力，岛为动臂小腔作用面积，则p t 。= p 。文。动臂液压缸在作业过程中不被拉长，所限制 的挖掘阻力为，。计算简图如图2 。7 所示，取整个工作装置为隔离体，列出对动臂与平台的 铰点c 的力矩平衡方程式 6 e l + g ；七，= 甄1 切 ( 2 3 ) q 一一动臂液压缸对c 点的作用力臂； g t g 6 一一动臂、斗杆、带土铲斗、斗杆液压缸、铲斗液压缸、连杆和摇杆的重量； 七。一七。一一g l g 6 的重心至c 点的水平距离，即作用力臂。 ，c 一一形o 对c 点的作用力臂。 由上式得： 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置受力分析 。= 6 ；q + y g ； 1 z 一l f = 1 如甄，。，动臂液压缸可锁住，否则动臂液压缸会被拉长。 图2 7 动臂液压缸闭锁条件决定的整机理论挖掘力计算简图 b ) 斗杆液压缸闭锁条件决定的挖掘阻力 斗杆液压缸的抗压能力取决于大腔闭锁力尸z d ，设p z 为杆液压缸限压阀的调定压力，足 为斗杆液压缸大腔作用面积，则尸z 。= 爿s ：计算简图如图2 8 所示，取铲斗机构和斗杆为 隔离体，列对f 点的力矩平衡方程式，得出斗杆液压缸的闭锁条件所限制的挖掘阻力为： 甄：垒坠旦丝里丝里笪笪逝( 2 5 ) 1 。f w 钿一一对f 点的作用力臂； p ，一一斗杆液压缸对f 点的作用力臂； 浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置受力分析 厂，2 、珞3 、0 5 、。一一g ：、g 3 、g ；、g 。对f 点的作用力臂； 如，斗杆液压缸可锁住，否则会被压缩。 图2 8 斗秆液压缸闭锁条件决足的整机理论挖掘力计算简图 c ) 铲斗挖掘力主动发挥决定的挖掘阻力， 假定挖掘力的方向为斗齿运动轨迹的切线方向，铲斗液压缸主动力发挥产生的挖掘力为 异d ，方向垂直于q 矿连线，大小参考公式2 1 并考虑到铲斗加土和连杆机构的重量的影响来 确定。在图2 9 所示位置，铲斗挖掘力主动发挥决定的挖掘阻力 ，：一异，：一( 异。+ 亟挚) ( 2 - 6 ) 1 3 式中g ，饧，+ g 。，q 。是铲斗加土重和连杆机构白重对q 点的作用力矩。异，能克服的最大挖 掘阻力，大小与咒，相等，方向相反。 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置受力分析 图2 9 铲斗液压缸主动发挥决定的整机挖掘力计算简图 d ) 整机与地面附着能力决定的挖掘阻力 可通过整机受力的x 坐标投影平衡方程得出附着条件限制的挖掘阻力，如图2 1 0 ： 岷4 ：旦 ( 2 7 ) c o s a 3 8 g 一一整机重量； “一一行走装置与地面的附着系数； 口，。一一挖掘阻力的水平倾角。 图2 1 0 整机与地面附着能力决定的整机挖掘力计算简图 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置受力分析 e ) 整机向前倾翻条件决定的挖掘阻力既， 如图2 1 1 取整机为隔离体，列对倾翻支点丁的力矩平衡方程，整机绕丁点向前倾翻限制 的挖掘阻力： ，=g g 一g z 锄一g h 一，对丁点的作用力臂； g g 一一工作装置总重量； 一g g 对r 点的作用力臂； g z 一一行走装置重量； 一一g z 对，点的作用力臂； g 一机体重量； 协一一g 对丁点的作用力臂。 图2 1 1 整机向前倾翻条件决定的整机理论挖掘力计算简图 f ) 整机向后倾翻条件决定的挖掘阻力 如图2 1 2 取整机为隔离体，列对倾翻支点j 的力矩平衡方程，整机绕，点向后倾翻限制 1 9 浙江大学硕十学位论文 液压挖掘机工作装置受力分析 的挖掘阻力： 瞩。= g 6 r f gj r g z k z + g s r i s 锄一一。对，点的作用力臂； g g 一一工作装置总重量； 一一g g 对，i 点的作用力臂； g z 一行走装置重量； r l z 一一g z 鸡i 羔髑作蕊曳甓； g 一一机体重量； 仫一一g 对，点的作用力臂。 图2 1 2 整机向后倾翻条件决定的整机理论挖掘力计算简图 综上所述，铲斗液压缸挖掘时整机的理论挖掘力为。、，、中的 最小值。这个最小值也就是铲斗液压缸挖掘时作用在斗齿上的挖掘阻力矿。 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置受力分析 斗杆液压缸挖掘时，应取斗杆液压缸主动力发挥所决定的挖掘阻力值，挖掘阻力的方 向垂直于f 矿连线，应取铲斗液压缸闭锁能力限制的挖掘阻力值。其余与铲斗液压缸挖掘