矿用电动式挖掘机底架梁三维设计与分析

矿用电动式挖掘机底架梁三维设计与分析摘要：本论文主要内容是了解底架梁的三维设计与分析所要解决的主要问题和特点，绘制底架梁零件图纸，建立底架梁的实体模型，用有限元分析法计算。首先是通过准确的尺寸绘制底架梁零件图，整理所绘制的零件图制作出精确的装配图，确定个零件的位置尺寸。其次是建立零件实体模型，运用PRO/E软件建立实体零件模型，在根据所有的装配图组装出底架梁实体模型。再次是有限元分析，利用ANSYS进行有限元静力学分析。在分析之前要先有一个大概的整体结构，以便进行简单的的应力分布计算。最后优化设计，对优化挖掘机底架梁有三种方法：选用新型的强度更高的材料；在原有结构上在应力较大的部位进一步加固；改良底架梁的整体结构。关键词：绘制零件图，PRO/E建模，ANSYS有限原分析，结构优化。ITheThreedimensionsDesignandAnalysisofMineexplosion-proofelectricexcavatorchassisbeamAbstract:Thismainlycontentofthisthesisistoknowthemainproblemsandcharacteristicsofchassisbeaminthedesignandthe3Danalysis,alsoincludeschassisbeamdrawingparts,entitychassisbeammodelbuilding,andthefiniteelementanalysiscalculating.Firststepistomakechassisbeampartsdrawingbytheaccuratesizemap,makepreciseassemblydrawingbythearrangementofdrawings,determinethepositionofthepartsize.ThesecondpartistosetupentitymodelandsetupentitycomponentmodebyusingPRO/Esoftware,buildthechassisbeamentitymodelaccordingtoalltheassemblydrawingoftheassembly.Partthreeistoanalysisfiniteelement,finiteelementstaticanalysisbyusingtheANSYS.Tobuildaroughintegralstructurebeforeanalysissoastocalculatesimplestressdistribution.Maketheoptimizationdesignatlast,therearethreewaystooptimizeexcavatorchassisbeam:Usenewmaterialwithstrengthhigher,reinforcedmoreinthelargerstressareaandfurtherreinforcedontheoriginalstructure;improvetheoverallstructureofthechassisbeam.Keywords:Drawthepartdrawing,PRO/Emodeling,ANSYSfiniteanalysis,Structureoptimization.目录1绪论11.1前言11.2课题的背景及研究意义21.2.1历史发展21.2.2国内发展概况31.2.3国外发展概况41.2.4论文主要内容41.2.5优化研究意义52结构分析62.1机械制图方法概述62.2绘制零件图62.3绘制装配图92.4细化所绘图123建立零件实体模型133.1实体建模方法概述133.2建模软件简单介绍133.3建立零件模型143.4建立整体模型173.5焊缝问题的处理184有限元分析194.1有限元方法概述194.2ANSYS软件简介194.3底架梁应力分布计算194.3.1回转机构的概述214.3.2回转平台上应力计算214.3.3行走装置的概述254.3.4行走装置的应力计算254.4ANSYS应力分析275结构优化33结论35参考文献36致谢3701绪论1.1前言长时间以来，我国的传统制造业技术水平与发达国家相比存再较大的差距，机械制造的自动化.数字化程度不高，企业生产的各个部门的技术设备往往无法满足生产的需要。由于市场竞争激烈伴随着技术的日新月异，国内的传统制造也急需加快向智能化.集成化.数字化转型。基于各种设计制造软件的优化设计分析是智能化的重要环节。挖掘机是重要的工程机械之一，是开挖土石方的主要机械设备，被广泛的应用于工业建设.农业改造.矿山采矿以及现代化军事工程等机械化施工中。因为挖掘机再施工中具有许多的优点，可连续高效的工作，可以大大的减轻劳动强度提高劳动效率，是工程实施中不可缺少的手段。新世纪以来，全世界挖掘机年产量再20万上下波动，但挖掘机年产量大大高于装载机和推土机的年产量。据统计全世界各种施工作业场余约有3/4的土石方由挖掘机完成。所以从世界范围来看挖掘机的工作量再逐年增加，而挖掘机的技术也在随着工作的要求不断改进。所以对挖掘机进行深入透彻的研究具有重要的社会效益和经济效益。我的毕业设计的主要内容是挖掘机底架梁的优化设计。在工程施工中，工程机械必不可少。挖掘机作为重要的工程机械，它要完成的工作繁重而且工作环境恶劣。比如再矿山遂道施工等，在工作中挖掘机要承受各个方面的作用力。挖掘机底架梁是挖掘机主要受力部件，底架梁的结构直接影响挖掘机工作性能的好坏。我的论文目的是就现行的挖掘机底架梁进行分析优化。首先，要全面了解挖掘机的发展背景和历史，了解国内外的挖掘机发展情况，据此说明挖据机底架梁的优化再整个机器的改进中意义重大。然后是对挖掘机底架梁各个零件的测绘，通过实地测绘的到总共八十多副各种零件图和装配图。应用PRO/E根据零件图和装配图建立挖掘机底架梁的实体模型（包括一个整体模型和几十个零件模型）。运用ANSYS软件对所建立的模型进行有限元分析，通过分析底架梁模型得出应力分布云图并找出承受应力最大的几处即为危险点或危险截面。到此优化设计的前半部分已结束，后半部分是对底架梁的改进。危险点或危险截面的分析得出给了我解决问题的着力点，一般的方法是增家危险处的筋板或肋板来加固，另一种方法是改变现有部件的内部结构来达到分解应力的目的。经过反复改进分析，尽力得到一种更为合理的结构。谨此分析1设计不一定能得出符合实际要求的构件，但科学的分析方法却是技术进步必不可少的工具。1.2课题的背景及研究意义1.2.1历史发展挖掘机，又叫挖掘机械（excavatingmachinery)，是用铲斗挖掘或高于或低于承机面物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的机械。挖掘的物料大多是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤或岩石。从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的发展相对较快，而挖掘机作为工程建设中最主要的工程机械机型之一，在工程建设中起到重要的作用。第一台手动挖掘机问世到今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽动力斗回转挖掘机到电动驱动和内燃机动力回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的发展过程。常见的挖掘机结构包括：动力装置，工作装置，回转机构，操纵机构，传动机构，行走机构和辅助设施等。从外观上看，挖掘机由工作装置，上部转台和行走机构三部分组成。挖掘机一般分为反铲挖掘机和正铲挖掘机。反铲式是我们见过最常见的，向后向下，强制切土。正铲挖掘机的铲土动作形式。正铲的挖斗比同当量的反铲的挖掘机的斗要大一些，可开挖含水量不大于27%的一至三类土，且与自卸汽车配合完成整个挖掘运输作业，还可以挖掘大型干燥基坑和土丘等。正铲挖土机的开挖方式根据开挖路线与运输车辆的相对位置的不同，挖土和卸土的方式有以下两种:正向挖土，侧向卸土；正向挖土，反向卸土。社会的现代化建设，各种工程的实施都需要大量的工程机械。挖掘机作为一种重要的工程机械，其的快速发展具有重要的意义。由于挖掘机的工作环境复杂，工作载荷大，再工作过程中受到各个方面冲击力以及机械震动摩擦破坏等。在挖掘机各组成结构中，挖掘机底架梁是一个重要的承载结构。底架梁向上支撑挖掘机的回转机构，向下支撑两边的行走装置。因此底架梁不仅要接受从挖掘臂传递来的冲击力，还要接受地面对挖掘机的各种反力。在这种复杂的情况下，要求底架梁必须是有高强度的材料构成，优秀的结构设计和高水平的焊接链接；这样才可以保证挖掘机在工作是稳定可靠且具有较长的寿命。本论文是基于现代挖掘机底架梁结构，通2过科学的分析方在目前的结构基础上进行改进尤化设计。希望以此来提高底架梁的强度和力学性能，提升挖掘机各种工况下的稳定高效的工作能力。1.2.2国内发展概况我国的挖掘机生产起步较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为1m3的机械式单斗挖掘机至今，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪3040年代的W系列等型机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史。到20世纪80年代末，我国挖掘机生产厂已有30多家，生产机型达40余种。中、小型液压挖掘机已形成系列，斗容有0.12.5m3等12个等级、20多种型号，还生产0.5-4.Om3以及大型矿用10m3、12m3机械传动单斗挖掘机，1m3隧道挖掘机，4m3长臂挖掘机，1000m3h的排土机等，还开发了斗容量O.25m3的船用液压挖掘机，斗容量O.4m3、O.6m3、0.8m3的水陆两用挖掘机等。但总的来说，我国挖掘机生产的批量小、分散，生产工艺及产品质量等与国际先进水平相比，有很大的差距。改革开放以来，积极引进、消化、吸收国外先进技术，以促进我国挖掘机行业的发展。这些厂通过数年引进技术的消化、吸收、移植，使国产液压挖掘机产品性能指标全面提高到20世纪80年代的国际水平，产量也逐年提高。由于国内对液压挖掘机需求量的不断增加且多样化，在国有大、中型企业产品结构的调整，牵动了一些其他机械行业的制造厂加入液压挖掘机行业。随着我国加入WTO，我国机械制造业直接面对国际同行的竞争压力和挑战。怎样应对激烈的国际竞争和快熟变化的市场需求，不断降低成本提高质量，实现快速响应的手段以便再新的市场竞争中求得生存和发展，已成为我国工程机械行业不可回避的重要问题。但从另一方面来说，加入WTO为我们提供了前所未有的机遇，我们必须抓住机遇迎头赶上。各种各样工程机械，建筑机械的智能化已成为当今自动化技术的发展的一个重要方向。1.2.3国外挖掘机发展概况3工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本等是斗容量3.5-40m3单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50-150m3的剥离用挖掘机，斗容量132m3的步行式拉铲挖掘机，是世界上目前最大的挖掘机。目前挖掘机不论是国内还是国外的发展都向着多样化方向发展，1）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。2)重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。3)更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。4)迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。5)更注重环境保护，CAT、小松等厂家纷纷推出满足三次排放要求的挖掘机。纵览挖掘机一百三十多年的发展史。挖掘机由手动操作的机械型到自动全液压设计以及目前的机电液一体化的全自动机器。挖掘机的性能一直向着更稳定，高效，大工率的方向发展。我国的挖掘机设计制造设计起步晚，发展至今大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。但与国外一些制造商再大功率方向的发展相比有一定的差距。挖掘机的发展不是孤立的某一部件的创新，而是各个部件共同优化创新，才能提高机器的整体性能。底架梁是挖掘机的重要部件，底架梁的优化创新再挖掘机的发展中具有重要的意义。因为只有更优秀更合理的底架梁设计才能支撑起性能更好的挖掘机器。1.2.4论文主要内容本论文研究的主要内容如下所述：做挖掘机底架梁的三维设计与结构的优化首先要做的是了解底架梁的结构，底架梁是由钢板焊接在一起的复合承重梁，绘制底架梁的零件图以及装配图可以很好的明细底架梁的结构。其次是运用软件制作出底架梁的实体模型，建模软件有很多钟，一般选择PRO/E建模软件在建模时即方便又快速高效而且操作简便。论文的第三部分是对底架梁的实体模型加载进行有限元分析，这中间有一点要注意的是把PRO/E文件导入到ANSYS软件中要通过特殊的中间文件格式IGS；分析计算之后会得到底架梁的应力云图，可以清晰的看到各个部位的应力分布情况。最后的部分是对底架提出一些改进方案，这里可以根据ANSYS有限元分析结果拿出一到三种可行的优化设计想法，并且做最后的分析说明。1.2.5优化研究的意义4机械结构优化设计是运用计算机和现代方法对承力机构进行自动设计的技术方法。目前，常采用的结构优化方法主要有两大类；一类是数学规划法，一类是准则法。数学规划法具有数学严谨的特点，适用范围广。但是数学规划迭代次数多，收敛慢，优化效率低等不足，难以满足实际工程中复杂结构优化设计的需要。准则法因具有意义明确.收敛快以及计算量少的优点，有一定的优化效果，但在数学上不严谨时，一般找不到最优解。结构优化导重法是从极值条件和刚度方程出发严密推导的理性准则法；大量的工程应用表明，该方法具有收敛快，优化效果好的优点。运用ANSYS的分析模块进行结构特征分析，再用其优化模块中梯度法的设计参数独立变动在分析功能，求得结构特性对设计中的变量的差分敏度，然后运用结构优化导重准则法进行优化迭代计算，获得新的设计方案，这样反复的进行分析迭代，使机械结构趋于优化。将该方法运用于实际工程结构的优化设计中，取得了很好的优化效果，大大提高了结构的优化效率和机械设计的质量，实践证明了该方法的优越性和实用性。52结构分析2.1机械制图方法概述图纸是传递设计思想的信息载体，是生产过程中加工装配和检验调试的依据。自劳动开创人类文明史以来，图形与语言.文字一样，是人们了解自然.表达和交流思想的基本工具，在图学发展的历史长河中，经过不断的完善和发展得到了广泛的应用。现代工业生产中，机械化工或建筑都是根据图样进行制造和施工的。机械制图是人们进行技术革新.技术改造的工具，是对新设计.新构思.新工艺研究探索.反应和表达高新技术.发明创造新生事物的载体。任何一台机器或一个部件都是由若干零件装配而成，制造机器首先要依据零件图加工零件，在根据装配图，组成机器或者部件。机器或者部件的设计过程中，一般先根据设计要求画出装配图以表达机器或者部件的工作原理.传动路线.零件之间的装配关系以及零件的结构形状。零件图的绘制可以说是一波三折，但皇天不负苦心人最终还是完美绘制完成了。这些图纸中包括各种零件图和最终的装配图。拥有详细的零件图和装配图意味着接下来的建立实体模型就有了数据的支持。下一步的工作主要内容就是制做挖掘机底架梁的实体模型，因为再整个设计体系中分三步即零件绘制.模型建立.分析改进。重点是对挖掘机底架梁的分析，制图和建模是分析的基础，而建模又是建立在制图的基础之上的。科学的分析总是一环扣一环的，不仅具有严谨的分析方法，还有紧密的逻辑关系。经过统计挖掘机底架梁一共有八十八个零件。这些零件包括各种筋板和肋板，轴套，上盖板，下地板，侧面加强板等等。测绘时因为要考虑实际尺寸和绘图纸尺寸之间的差异，所以采用10：1的比例绘制。首先测绘的外挂的零件，然后是外围大型零件，最后是内部各种零件。测绘好所有零件之后，根据装配原则绘制出装配图。62.2绘制零件图下面是一些零件平面图。图2-1内部零件图DW-15-01-38主要作用是用来固定轴套以防止主轴偏移图2-27内部肋板图DW-15-01-07作用是支撑上下板面图2-3DW-15-01-05此零件图是一对是底架梁的上部与回转平台配合零件8图2-4DW-15-01-14此为筋板零件图的一半（该零件为对称零件）作用是支撑上下板面图2-5DW-15-01-05上盖板零件图是底架梁的主受力平面图2-69DW-15-01-09下地板零件图底架梁的主支撑平面2.3绘制装配图图2-7底架俯视图10图2-8底架梁主视图图2-9底架梁主刨视图11图2-10底架梁左视图图2-11底架梁左刨视图以上是测绘的图纸中几个比较直观的零件图和装配图，至于底架梁内部的结构图纸由于再A4纸上展不开，因此就没过多展视。根据各种学术论文知道挖掘机底架梁的零件大多是焊接链接方式，各个零件在链接之前先做出焊缝以便保证焊后整体的强度。零件再测绘时，局部绘出了焊缝的尺寸要求，论文中不在展视。在下一章12模型建立中集中展视出来。2.4细化所绘制的图关于挖掘机底架梁的内部部分零件的绘制时遇到了不小的麻烦，主要是因为内部的零件比如中央支撑套.中央轴套.环绕轴套的筋板等尺寸.位置和角度测绘不到。这些尺寸是做为核心技术资料不允许对外公开，但缺了这些重要尺寸是不行的。为了能得到这些尺寸，我巧妙的和当时的工人进行沟通交流。通过在三的接触，本着对技术该进的共同愿望，再做下不向外泄露的承若之后，终于取得了这些重要的尺寸。焊接具有节省金属.生产效率高.产品质量好和大大改善劳动条件等优点，再现代工业制造中应用很广。焊接技术和传统工艺方法相比较，目前几乎已全部取代柳接技术，部分取代铸造和锻造。挖掘机底架梁多采用焊接链接，因此对焊缝有特殊的要求。底架梁的上盘面有纵横四道X型焊口，侧面分别有两到V型和U型焊口，其他零件多用坡口的形式。3模型建立3.1实体建模方法概述在传统的机械设计过程中，一般要经过设计-制式-改进多次循环，经验设计体现再很多关键零件之中，没有系统准确的设计，产品得不到定型。随着计算机软件的开发和应用，三维实体建模在零件设计中的运用，了解零件的真实形状，对关键零件进行有限元分析。这样不仅缩短了设计时间.提高了设计效率，而且优化了零件结构以及材料性能.提高了设计的可靠性。挖掘机底架梁模型的建立分两部分。第一步先建立各个零件的实体模型，再这个过程中进一步加深了对挖掘机底架梁结构的理解。第二步是建立挖掘机整体的实体模型，这样对底架梁的三维实体结构理解更深。对挖掘机底架梁的实体建模分两步：首先，对挖掘机底架梁的各个零件单独建模；然后在对底架梁整体建模。而对底架梁整体建模又有两种方法；第一种方法是先建立零件模型，再装配成一个整体；另一种方法是直接通过自上而下或自下而上13的整体建模。这两种方法各有利弊，前一种方法是最为科学的建模法但操作比较复杂，后一种方法相对比较简单但模型的精度得不到保证。在本设计中，本人采用了装配与整体并举的方法即省时又省力。3.2建模软件简单介绍PRO/E做为一款集CAD/CAM/CAE为一体的软件，其三维实体造型，是以构建实体特征（基本实体特征.附属实体特征）.曲面特征和基准特征为基础的实体的造型。通过对实体进行分析.构建不同的基础特征，生成零件并且装配，达到三维实体造型的目的。由于设计的需要，要在这一部分中建立挖掘机底架梁模型。在上一章中零件图已测绘完成，经过CAD软件绘制方便零件模型和整体模型的建立。建立模型运用的是PRO/E软件，其他软件如UGSOLIDWORKS3D等。不过总的来说PRO/E再建模方面有其独到之处，因此在建模中侧重于PRO/E。3.3建立零件模型下面是一些底架梁零件模型的PRO/E截图。14图3-1编号为DW.15.01.41长*宽*厚=673.1*495.3*38.0图3-2编号DW.15.01.07长*宽*厚=1257.3*616*32内空半经203.2开口660.415图3-3编号DW.12.01.36长*宽*厚=1206.5*152.4*32数控下料图3-4编号DW.15.01.06长*宽*厚=1698*431*20去除材料圆直经=228.6倒角半径=50.816图3-5编号DW.15.01.17长*宽*厚=5918.2*1536.7*45图3-6DW.15.01.01内园直径470外圆直径711173.4建立整体模型下图是通过PRO/E实体建模后的三视图图3-7底架梁实体模型主视图图3-8底架梁实体模型俯视图18图3-9底架梁实体模型左视图3.5焊缝问题的处理在实体建模中有一个重要问题值的注意。因为挖掘机底架梁是一个焊接连接的部件，在建模过程中零件与零件之间的焊缝是被预留了出来。对于焊缝的处理有两种方法，其一是直接实体材料填充，另一种方法是保留原来的结构不变。但是考虑到再进行有限元分析时，由于要再底架梁的周围加上载荷，再力的作用下会再焊缝周围形成应力集中，这种情况会造成部件局部变形甚至断裂。而这正是下一步分析并给进结构的依据，所以最终还是采用了第二种方法。再底架梁的几乎所有的零件上都存在焊缝；比如再零件DW-15-01-09再端面存在V型的焊缝，零件DW-15-01-16的四周的端面上都有V型焊缝，零件DW-15-01-26与DW-15-01-16连接时形成的是U型焊缝。焊缝的存在使整个底架梁的受力的稳定性锐减，一般的整体性的材料都不可能保证材料内部能不存在损伤；更难保证焊接时连接的有效性，一旦焊接时存在裂缝就会再受力的情况下零件断裂开来。所以再实体建模的过程中要精确的保证每一个焊缝的真实存在，要完全考虑焊缝的存在到力学分析的影响。如果再虚拟分析时就消除了焊缝的影响，那么在实际的制造过程中有进行了焊接加固，就等与做了双重保险极大的保证了底架梁的稳定性。194有限元分析4.1有限元方法概述有限单元法的基本理念是用简单的问题代替复杂的问题然后求解。它将求解域看成有许多成为有限元的小的互联子域组成，对每一单元假定一个近似的解，然后推到求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似的解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。对应力状态复杂的模型，应在正式计算前充分做好准备工作。首先应整体分析大致的应力状态，每个超单元可采用不同单元；其次可采用不同复杂程度的模型进行小规模计算，采用简略的模型进行实验性探讨，确定最终计算发方案后在建立实际计算所需要的模型计算。4.2ANSYS软件简介建立完成的实体模型必须经过划分网格才能进行求解计算，原几何模型并不参与计算。划分网格是有限元分析的重要环节，网格划分情况的好坏直接关系到计算所需要的时间及所能达到的精度，不合理的网格划分不仅可能导致计算时间过长.结果精度较差，甚至可能导致无法求解。网格划分通常有三个步骤，即定义单元属性.设置网格划分控制和生成网格。在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型。也就是说，再ANSYS中必须采用空间单元计算的对象不仅仅是三维实体，分析对象的应力状态是关键。如果考虑到计算规模的二维应力状态的结构可以选用壳单元。使用ANSYS之前应对模型进行初步分析，即使平面应力状态的结构是三维结构，也可适用平面单元计算。选择单元时应注意尽可能的减少维度，尽量做到能用线单元计算的不用面单元计算，能用二维单元计算的不采用三维单元计算。4.3底架梁应力分布计算20挖掘机底架梁以上的部分有很大的载荷，这些载荷主要分成两部分；一部分为底架梁以上的各个构件的重量的总和作用于底架梁上形成的压力，另一部分则是底架梁以上的各个构件对中央轴的弯矩，而弯矩于底架梁相互作用传递到底架梁上的弯矩。下面就对这两部分力做一个简单的分析。下表是WK-20电动挖掘机各构件质量一览表编号名称重量/KGDW-00WK-20电动挖掘机604038DW-01-0016.8m铲斗37934.5DW-02-00斗臂19443DW-03-00起重臂和推臂机63202.63DW-04-00铲斗机臂794.31DW-05-00提升机臂33342.89DW-06-00上部其余零件2343.09DW-07-00回转机6500.33513000.71DW-09-00回转平台103420DW-10-00双脚支架11713DW-11-00机棚20346DW-12-00中央4800DW-13-003491DW-15-00底架58042.98DW-16-00行走机架24531.734DW-17-00下部其余零件1181.924DW-18-00履带装置132138.022DW-21-00司机室2421.3DW-22-00通风除尘装置8021.26DW-90-00集中润滑系统1843DW-91-00提升稀油润滑系统228.8DW-92-00操作系统122021DW-93-00回转稀油润滑系统159.2DW-23-00附件6223.82DW-00电子系统4356.6表4-14.3.1回转机构的概述回转装置是由转台.回转支撑和回转机构等组成，回转支撑的外座圈用螺栓与转台连接.带齿的内座圈又与挖掘机底架梁用螺栓连接，内外座圈之间装有滚动体。挖掘机工作装置作用在转台的垂直载荷.水平载荷和倾覆力矩通过回转支撑的外座圈.滚动体和内座圈传给挖掘机底架梁。回转机构的壳体固在回转台上，用小齿轮和回转支撑内座圈上的齿圈相啮合。小齿轮不仅可以绕自身轴线自传，又可以绕回转台的中心线公转，当回转机构工作时，回转台相对挖掘机底架梁进行回转。电动挖掘机工作时回转台上部自重和载荷的合力位置是经常变化的，但大至是偏向载荷方向。为平衡载荷的力矩，回转台上的各个装置需要合理布置，并在尾部设置配重装置，用这种办法来改善台下部结构的受力，用以减轻回转支撑的磨损，保证整台机器的稳定性。4.3.2回转平台上应力计算图4-122（1）电动式挖掘机的最大挖掘半径为18.7M，也就是说铲斗可以达到的离中央轴最大的距离是18.7M。铲斗的质量为37934.5KG，换算成牛力为：（4-1）NkgNkgMG37945/105.37941由于铲斗不仅自身重量作用于底架梁上，而且因为质心的偏移而产生的弯矩也会通过中间结构传递的中央轴上进而作用于底架梁上。则中央轴上的弯矩T1为：（4-2）mmLT/5.70931.183794511（2）斗臂是连接铲斗和起重臂的重要部件，斗臂的作用是推动铲斗在起重臂上旋转移动。如过把斗臂近似的看成一个质点，那么它的质心距离中央轴9.35M。斗臂的质量为M=19443KG，换算成牛力为：（4-3）NkgNkgMG19430/019432斗臂自身的重量也作用在挖掘机底架梁上，由于斗臂的质心距离中央轴有9.35M的距离，因此斗臂也会对中央走产生一个弯矩作用。则斗臂在中央轴上的弯矩T2为：（4-4）mNmNLT/5.18792035.914022（3）电动式挖掘机的工作机构的核心部件就是起重臂和推臂机；它不仅要支持斗臂的重量还要支撑铲斗的重量以及工作所受的冲击，挖掘机在工作时起重臂上承受的力是最大的。起重臂与推臂机的质量M3=63202.63KG，起重臂与水平面的最的角度是45。换成牛力为：（4-5）NkgNgMG3.620/1063.23因为起重臂的旋转半径为15.45M，而起重臂有一定的旋转角度，所以起重臂的重心距离中央轴最远时起重臂与水平面呈0夹角，那么质心距离中央轴最大距离为7.725M。可以计算出起重臂作用在中央轴的弯矩T3：（4-6）mNmkgLT/317.482075.63203（4）电动式挖掘机后半部分主要有机棚.通风除尘装置.机用工具.司机室.随机零件.双脚支架等大型部件。机用工具.司机室和随机零件做为一个整体位于起重臂根部以后中央轴以前，是司机操作机器工作的地方。整个部件的质量，换算成牛力为：kgM3.241（4-7）NkgG2413/103.244由于机棚及司机室总长为12.3M而尾部回转半径为7.95M，所以整个装置的宽的为4.35M，那么可以近似的整个装置的质心在距离中央轴2.175M处。则该装置对中央轴的弯矩T4：23(4-8)图4-2（5）机棚在挖掘机的后半部分，在挖掘机工作时随起重臂和铲斗一起回转，并且其上装有配重箱用来平衡挖掘机自身的重力分部。机棚的总质量M5=32059KG，则机棚的重力G5为：(4-9)NkgNgMG32059/1032595因为机棚的回转半径为7.95M；假设它的质心在几何中心上，而机棚的几何外形可以看成一个规则的形体，那么机棚的重量集中到离中央轴3.975M的质心上。则机棚对中央轴的弯矩T5为：(4-10)mNmNLT/25.174395.3320555（6）位于挖掘机尾部的位置装有一套通风除尘装置，它的作用是在挖掘机工作时给挖掘机的发动机.电子设备吹分冷却或者通过泵入冷却液冷却以及清出机器设备里的的污垢。通风除尘装置的质量M6=8021.26KG，则装置的重量G6为：(4-11)NkgNgMG6.8021/126.806由于通风除尘装置的最大回转半径为7.95M，其前部的箱体距离中央轴大约4.5M，所以该装置的质心距离中央轴有6.225M。弯矩T6为：(4-12)mNmLT/435.9225.680166（7）可以查到挖掘机的配重的质量是M7=43566KG由此可以计算出配重的重量.7.43424因为配重装置位于挖掘记得尾部，而尾部的回转半径为NgMG436077.95M，所以因配重而造成的弯矩：(4-13)mNmNLT/3469795.74356077以上计算的是挖掘机底架梁以上的部件的重量以及对中央轴的弯矩，因为中央轴所受到的弯矩在两个方向上，所以中央轴所受的力存在前后平衡抵消的问题。设中央轴的总弯矩为T：(4-14)NTT/572.86097654321回转平台是挖掘机各回转机构的基础，由于回转平台在设计时即使没有添加其他部件，在旋转是也要具有很高的稳定性，那么这就要求回转平台的回转中心与底架梁以及中央轴是重合的。以后根据回转平台的各个部件的合理布局，也不会对重合度造成太大的影响。因此回转平台对底架梁没有弯矩只有重力。根据上表可知回转平台的质量kgM103428则(4-15)NG挖掘机底架梁以上的所有部件的重量几乎全部都作用在挖掘机底架梁上。由于重力的方向是单一的，因此虽然看上去结构复杂但力的作用形式却是单一的，所有的重量都以压应力的形势作用在底架梁上。令底架梁受到的总压应力为F：(4-16)9.31506787654321G25图4-3底架梁受力位置图上图是电动式挖掘机底架梁与回转平台的接触部分，也就是大齿圈与小齿圈安装部位。图中红色部分则是回转平台和底架梁的接触受力部位，由此可以求出此处的受力面积。图中中央红色部件是底部支撑套，内径为外径4701d2.71D则截面积（4-2211365.0mdS17）图中环形红色部分为环形支撑套的扩展面，目的是为了增大接触部分的受力面积以免由于应力过大而是零件迅速变形。环形面积的内圈半径为外圈的半径9.1862d为286D则环形面积（4-2224651.mdS18）则总的受力面积（4-22187.S19）又因为根据计算挖掘机底架梁受到来至回转平台的重力而产生的压力F=2116476.9N，则可计算出接触面每平米的压强P。每平米压强（4-aMSGP4718.53220）底架梁的这部分载荷应为均布载荷，在ANSYS有限元分析中应作为均布载荷进行加载。4.3.3行走装置的概述电动式挖掘机的行走装置兼有支撑和运行两大功能，因此挖掘机行走装置应尽量满足多种要求：要有较大的驱动力，挖掘机在湿软的或高低不平的等不良的地面上行走工作时应具有较好的运动和转向性能；行走装置应具有较大的支撑面以及较小的接地的比压，以确保挖掘机工作时的稳定性。电动式挖掘机的行走装置按结构可分为履带式和轮胎式两大类。在本论文中我研究的是履带式挖掘机，履带行走26装置的特点是驱动力大，可以在各种复杂的环境中稳定的工作。履带行走装置的转弯半径小，灵活性好。4.3.4行走装置的应力计算履带行走装置包括履带和行走机，而整个电动挖掘机的重量除行走装置本身外几乎所有的重量都要靠行走装置来支撑。电动挖掘机在底架梁的左右两个侧面分别有一个行走装置，则整台机器的履带和行走机总重：（4-21）NkgNkgG7.15689/0.13287.2458而由上表可以得到WK-20电动式挖掘机的质量为604038KG则除去行走装置后的总重量：（4-22）kg4.738256.189/064389根据以上的计算行走装置所要承载的重量为5883690.224N，但需要注意的是行走装置所承载的这些重量是在机器静止的情况下的。一旦机器运动起来的话，各个部分受到的力就会发生变化，而本论文所要分析的是底架梁在静载荷的作用下的应力状况，所以在这里只计算静载荷不考虑动载荷。图4-4下图是挖掘机行走装置与底架梁的连接部件，由图中的结构可以看出这个部件是一个组合的受力支撑梁。履带和行走机就是通过这两力组合梁托起了整个挖掘机。如果按计算所得的行走装置的承重为则每个梁上所受到的力NG24.5836909FQ=G9/2=2941845.122N。实际上左右双梁在竖直方向上有一个向下的重力以及行走装置给它的竖直向上的支持力，综合考虑左右双梁受到的应该是相互作用的剪切力。27再求的剪力FQ以后，还要进一步计算剪切面上的应力的大小，但上面所述发生剪力的部件都不是细长杆件构件，而且变形及受力情况比较复杂，难以简化成简单一点的计算模型。运用理论的方法确定各种情况下剪切面上的应力分布规律存在着很大的困难。在工程应用上为了应用的方便，经常采用以实验和经验为基础的“实用计算法”，即假设剪切面上只存在剪切力，而且切应力在剪切面上是均匀分布的，于是有（4-AFQ23）式中A是剪切面积，但是由于受力部件是一个复合梁上而不是一个实体，在这个复合的梁中是由六个并排的筋板做为主要受力的零件。设中间两个筋板的横截面积为：1则（4-20731.32.086.mmhL24）在令位于左右两边的四个筋板的端口横截面积为：2A则（4-203897.45.86.0HA25）那么总的剪切面积：则2142A=203897.073.m=（4-25.m26）剪切面上的切应力：aQPNAF605.17825.03674（4-aM.27）电动式挖掘机底架梁在ANSYS有限元分析之前的简单的静力分析已基本结束，这样28就大大的方便了ANSYS分析时的分析单元的选取和各种载荷的直接加载。ANSYS有限元分析主要分为五大步骤：建立模型.材料属性的选择.网格单元的选择.载荷的加载和计算求解。4.3.5ANSYS应力分析选用有限元分析第一步也是最重要的一步是把PRO/E中建的模型导入到ANSYS；首先在PRO/E中把模型另存副本，选择IGS文件格式实体零件保存。然后打开ANSYS软件，在FILE菜单中选取IMPORT选项中的IGES，在弹出的对话框中点击OK，点击BROWSE找到由PRO/E生成的IGS文件之后就可导入。需要注意的是文件名不能出现汉字。图4-5导入的模型图挖掘机底架梁所采用的结构材料为45钢。45的弹性模量E=210GP抗拉强度取600MP屈服强度取355MP材料的许用应力【】=150MP密度=7.85/；底架梁的零件都是用焊接的方法连接起来的，因此底架梁上存在许多焊缝，规定焊缝的许用剪应力【】=80MP。45钢的松泊比为0.269。29当模型成功导入之后，分析的第二步就是为模型划分网格。命令如：在弹出的DeltEdiAeElmntTypeprocsMainu/P对话框中点击，后弹出的对话框中选择网格划分中的选项中sEletTyAdSolid的网格单元划分网格。274dAxim图4-6下一步是设置模型材料的属性，命令如：点击出现如下图对话框，delsMatrioopsaterileprocsMainuPP然后点击会出现确定材料的弹性模量和松IcEcLinStal泊比属性，写入为2e11为0.3。完成之后点击OK结束设置。下一步点击EXRY再对话框中栏中写入材料的密度7800。点击OK结束操做。DensityDNS30图4-7图4-8下一步是自动生成分割单元。命令如：点击后出现对话框，MeshTolesingeprocsMainuPributesElemntA31点击后再出现的对话框中选择按钮就会自动生成分割单元。下图是成MeashPickAl功分割后的效果图。图4-9下面是ANSYS有限元分析的第三步载荷加载，由于上文已经就载荷的位置以及载荷的大小做过详细的分析，在这里可以直接施加载荷。命令如：弹出拾取对话框,拾取加载面之后点击OK，弹出的对话框中的一栏中选择FY选项。再一栏中写入所要加的载moonOfFrceLabDiret/VALUE荷的大小，之后点击OK按钮结束操作。图4-10加载的效果图ANSYS有限元分析的最后一步是计算求解。计算命令如：，单击对话框中的CurentLSSolvlutinMainentLoadSepolveCurONdsomtFrcclApysDfiad/32OK按钮。当出现Solutionisdone!提示时，求解结束，即可查看结果。图4-11Y轴方向的应力云图图4-12X轴方向的应力云图图4-13Z轴方向的应力云图图4-14提高材料属性之后的云Y方向通过观察应力云图4-3-5-7可以发现由于力是在Y方向加载的，因此在这个方向上应力的分布最为集中从使而在这一方向上的应变最大。观察图4-3-5-8和图4-3-5-9，X轴和Z轴方向上也存在应变但这样的变化没有Y轴方向的应变的变化大。图4-3-5-10是加强材料属性之后的应力分布图，与第一幅图的应变相比减少了。底架梁是一个复杂的承载部件，分布在底架梁上的力繁多；但是如果只考虑静态的情况下，重力作为一种即单一又复杂的作用力需要重点分析。电动式挖掘机结构的复杂性造成了重力分布的复杂性，但是重力的方向是单一的，这就为重力的分析减少了很多问题。重力沿着竖直方向也就是Y轴方向作用再底架梁上，理想的情况下上方的回转平台的重力会均匀的作用再底架梁上。因此Y轴方向是主要的承载方向，在这个方向的应变会因为力的集中而造成最大的应变。而X轴和Y轴的应变是随着Y轴的应变的出现而出现的，X轴和Y轴不是主要应变方向。335结构优化计算得到底架梁的左右两个支撑点的剪切应力FQ=105.8MP小于材料的许用应力【】=150MP，大于焊缝的许用应力【】=80MP。但是这样的计算是在静态的情况下算的，当挖掘机工作时底架梁的前部中间位置受力和两边行走装置上支撑点受力都会达到最大值，各个部位的应力也会突增，可能会大大高于材料的许用应力值。这种情况下材料会出现较大的变形甚至在局部位置发生断裂。分析是在理想状态下进行的，但机器时是动态的，设计者不可能使设计脱离现实，那么因此而做出的改进是必不可少的。根据上图的优化分析流程，在这里可以就运用新材料.增加加强筋板和中央轴套的筋板采用辐射式结构这三种方法进行分析优化。例如在中央轴套的原有筋板的基础上增加辐射式的密度，然后进行新一轮的计算分析，得出计算结果后再在原有的结构上进行调整改进进行又一轮的计算分析。这样反复进行数次，在所计算的所有结果中选取最优的一组结果保留下来。其它的方法也用这样的模式进行计算分析筛选。但是要值得注意的是，结构的优化不是无限制的。任何产品的设计都要考虑经济因素，不可能为了提高质量而忽略这一事实。另外任何机器不可能因为质量而大量增加结构材料，这样的产品笨重耗能大效益底。综上所述机械结构的优化是在合理的范围内的技术提升，是为所有产品的效益而服务的。当电动挖掘机在极度偏载的时候，底架梁的前部中间位置受力和两边行走装置上支撑点受力都会达到最大值，所造成的相应的变形也大，这些部位是很容易开裂的部位，因此在施工设计时要做加强措施：1）采用一些高强且可焊性能好的钢板，钢材的抗拉强度要在500MP以上.可以选用的材料2）改进箱型结构内部的一些加强筋板的布置方式，可以将筋板设计为放射状，个别筋板也可以设计为特殊的结构，在受力大的部位增加竖直方向的筋板，3）钢板的连接处可以选用等强度等级的别的焊条。4）焊缝的要求需要提高，内部和表面不得有缺陷，必要时候可以采用打磨和探伤技术。在利用三维有限元法对关键部位受力件进行静力学分析，是现代设计必不可少的技术手段；这样不仅可以大大提高设计的