一种反铲挖掘机斗杆的失效分析

沈文冰等

摘要：经调研分析，得知斗杆部件是挖掘机的关键组成部分，需要和铲斗、液压打桩锤等多种直接工作装置相连并在复杂受力环境持续工作，故此认为斗杆是整个挖掘机工作装置的薄弱环节。本文应用大型有限元分析软件ANSYS及其LS-DYNA模块针对斗杆的失效形式进行模态分析和工作过程模拟分析，并根据分析结果对斗杆的改进设计提出合理建议，为同类产品的设计制造提供理论依据。

关键词：挖掘机；斗杆；ANSYS；LS-DYNA；疲劳失效

引言

反铲挖掘机在矿山开采、冶金工业等领域应用广泛，配置不同的作业装置可以用来吊、夹、推等作业。斗杆是挖掘机的主要构件，结构复杂，承受着拉压、弯曲、冲击等多种形式的载荷，这些都是斗杆失效的因素，其主要失效形式为断裂失效[1]。

1.斗杆断裂形式分析

通过现场观察得知斗杆的断裂裂纹形式主要有两种，一种是裂口平整，另一种是裂纹呈不规则走向并且发生不规则的畸变。对于第一种断裂特点可以推断为脆性断裂，脆性断裂的特点是无显著的塑性变形， 断口齐平而有光泽， 并能瞬时扩展到结构整体， 是突发破坏。斗杆断裂发生部位多在焊缝及周围母材。对于断裂主要原因是斗杆的静力学性能不满足或者对过载和复杂工况比如温度等因素考虑不全面造成的情况，本文不做研究。对于另外一种断裂形式——疲劳断裂，是在没有明显情况下突然发生的， 不易预防， 断裂时的实际应力远小于材料的强度极限或屈服极限，属于低应力破坏，本文作重点研究。

2.斗杆的动力学性能分析

2.1斗杆的模态分析

疲劳主要是由于零部件在交变载荷下经过累积较长时间的工作而产生，更进一步的分析其疲劳机理，最容易产生工件疲劳的原因是外界的持续干扰频率与工件自身的某一阶固有频率接近最终产生共振。因此对斗杆进行动力学分析，提取其模态信息为本文的研究重点。

本文应用ANSYS软件对斗杆建模，因斗杆是钢板的组焊结构，所以定义斗杆的单元类型为shell92单元以便更准确的计算。对斗杆模型以自由网格划分的方式划分有限单元体[2]形成有限单元模型。

斗杆材料为Q235-A，密度ρ=7850kg/cm?的，弹性模量E=196GPa，泊松比μ=0.31。对斗杆施加边界条件为左端与动臂相连接的孔的内表面施加轴向移动约束，这样简化后的力学模型与实际符合。模态分析可提取多阶的频率和振型，但高阶的振型对工件实际影响不显著，所以本文只提取前三阶模态，如图2.2所示a、b、c、d分别为斗杆的前三阶振型。

2.2 斗杆在不同工况下的响应分析

挖掘机在清除障碍、挖掘较松软的土壤时，主要采用铲斗液压缸实施挖掘工作，即铲斗挖掘工况。该种工作方式有利于生产率的提高。因此，在一般土方工程挖掘中（挖掘Ⅲ级以下土壤）铲斗挖掘应用最为广泛。在挖掘较坚硬的土质时，为了将铲斗装满，挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸驱动挖掘，即斗杆挖掘工况。在现实工作中，为了节约工作时间、提高工作效率，经常是两种工况操作联合使用，有时为了轨迹的控制需要，还配以动臂液压缸的动作，本文将对该联合使用的方式称作工况三。

在2.1的模态分析结果基础上，可知道斗杆的最危险工况始终存在于斗杆的中间处，为搞清三种工况下斗杆中间的应力情况，对三种工况进行谐响应分析[3]。

利用LS-DYNA对所建立的模型进行仿真[4]，仿真时间为25s得到 （坚固性系数）分别为2、6、4时对应三种工况的斗杆中央部位的应力变化曲线分别如图2.3-a、2.3-b、2.3-c所示。

2.3 截齿截割不同硬度岩石的应力曲线

以matlab作为计算手段，输出斗杆中央最大应力处的应力统计结果见表2.2。

仿真结果表明，随挖掘硬度增加，斗杆中央应力集中处应力均值加大，最大值在226～298MPa之间；由于挖掘过程斗杆受力具有随机性（如图2.3），因此应力最小值非单调递增；挖掘三种等级土壤时，斗杆中央应力集中处的波动大；随着土壤硬度增加，斗杆的应力上升快，是由于斗杆在工作过程中集中力产生的，这也是斗杆长时间连续工作产生疲劳裂纹的首因；斗杆最大工作应力远远小于材料的许用应力（375 MPa）；在工作过程中斗杆的应力响应效果趋于收敛，说明斗杆的各阶频率均没有与工作频率共振，说明模态分析正确，斗杆可能的失效形式为疲劳失效。

3.斗杆的结构改進建议以及断裂预防措施

由模态分析表得知，随着阶数的增加，斗杆的固有频率随之增大。容易产生疲劳断裂的危险区域主要集中在斗杆整体中间、上端铰接板和右端铰接板几个部位，这几处均为焊缝连接的环节，所以针对该分析结果提出如下预防和改进措施：

（1）工作装置铰接耳环处焊缝应均匀以免应力不均。

（2）结构设计应使固有频率避开外部持续干扰频率，避免引起共振。

4.结论

（1）经模态分析，得到斗杆中间、上端铰接板和右端铰接板几处是容易发生疲劳断裂的危险区，耳环连接板焊缝处最易断裂，并提出焊缝要保持均匀以免工作过程中的应力不均。

（2）斗杆失效形式为疲劳失效，在不同工况下，应力的最大值在226～298MPa之间小于材料许用应力。斗杆随挖掘土壤硬度的不同应力变化较大，施工中应采用铲斗挖掘和斗杆挖掘相结合的方式。

参考文献：

[1]张卫国.液压挖掘机工作装置动力学仿真分析及研究[D]. 太原： 太原理工大学机械电子工程系，2010.

[2]铁巍巍，王晓枫，杨茹萍.挖掘机动臂有限元模态分析[J].机械设计与研究，2011，1（3）：23-25.

[3]周宏兵，王慧科，过新华.基于MATLAB和ANSYS的挖掘机工作装置结构静强度分析[J].广西大学学报：自然科学版，2009，34（6）：774-779.

[4]李成林，韩振南，霍俊杰，等.基于有限元的半挂牵引车车架疲劳寿命分析 [J].工程设计学报，2013（5）：414-418.

作者简介：

沈文冰（1982年—），男，工程师，现从事机械管理工作。