挖掘机工作装置的有限元分析

王岩　余伟霞　李海山

摘要：挖掘机分为上车部分，下车部分，和工作装置部分，下车主要是行走机构，上车主要是控制。文章主要说的是挖掘机工作装置的有限元分析，应用有限元方法对挖掘机工作装置的强度进行分析，为工作装置的设计及结构修改提供依据。

关键词：挖掘机；工作装置；有限元分析

一、有限元分析

（一）应用软件

有限元分析过程中，利用MSC.PATRAN进行有限元分析的前后处理工作，包括动臂和斗杆的三维几何模型的建立、单元的划分、边界条件及载荷的定义、计算结果的显示等。动臂和斗杆的有限元分析通过MSC.NASTRAN完成。

（二）有限元模型的建立

有限元分析過程中，目前通常分别采用一维梁单元和二维板壳单元两种形式对几何模型进行离散。

梁单元模型是利用两（三）节点的梁单元对动臂及斗杆进行离散，实际结构特性以梁单元的截面特性来反映。其优点是：划分的单元数目和节点数目少，计算速度快而且模型前处理工作量不大。但是，这种处理方法无法仔细分析各结构连接处的应力集中问题。板壳元模型则将动臂及斗杆离散为一系列板单元，各单元在节点处相联，相邻单元之间通过公共节点可以传递力和力矩。在实际工程运用中，由于动臂及斗杆是由一系列板件组成的结构，宜利用板壳单元进行离散，以使分析结果更准确。

本次计算过程中，动臂包括有6115个节点和6100个四边形单元；斗杆包括3312个节点和3282个单元。

（三）斗杆的计算载荷

斗杆的计算位置：

1.动臂处于最低（动臂油缸全缩）；

2.斗杆油缸作用力臂最大（斗杆油缸与斗杆尾部夹角为90度）；

3.斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上；

4.侧齿遇故障作用有横向力Wk。

设斗杆与铲斗的铰点为C，斗杆与摇杆的铰点为D，斗杆与动臂的铰点为B，铲斗油缸与斗杆的铰点为F，斗杆油缸与斗杆的铰点为E，按模型所给尺寸、位置以及油缸的工作条件，计算出斗杆各点所受的力如表1所示。（详细载荷图见“小挖掘机工作装置载荷的计算”图1-5）。

（四）动臂的计算载荷

动臂的计算位置是：

1.动臂位于最低（动臂油缸全缩）；

2.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；

3.铲斗挖掘、斗边点遇障碍时。

设动臂与车的铰点为A，铲斗油缸与动臂的铰点为G，动臂油缸与动臂的铰点为H，动臂与斗杆的铰点为B（详细载荷图见“小挖掘机工作装置载荷的计算”图2-5）。

二、计算结果

（一）动臂的刚度

动臂的最大位移为48.2mm，位于动臂与斗杆连接处（如附录图1所示）；

（二）动臂的强度

1.动臂最大应力点位于斗杆缸支座处，应力为366MPa；

2.动臂与机座相连处的最大应力为269MPa；

3.动臂油缸与动臂连接处的应力存在应力集中，应力值为266MPa；

4.动臂中三个加强筋所受应力均小于相应位置的上下盖板的应力，最大应力为100MPa左右，且加强筋中间区域应力较小；

5.动臂前端下盖板处的最大应力为147MPa；

（三）动臂的改进方案

按照两种改进设计方案进行分析的结果表明：

1.动臂上斗杆缸支座修改结构1（支座外形为直线）对动臂总体的应力分布无明显影响，但支座上的最大应力点由原圆弧处变动到支座与上盖板连接处，同时应力降为325MPa。

2.动臂上斗杆缸支座修改结构2（支座外形为大圆弧曲线）对动臂总体的应力分布无明显影响，同时支座上的最大应力点仍位于圆弧处，但应力降为321MPa。

（四）斗杆的刚度

斗杆在所加载荷作用下最大位移为4.73mm，位于斗杆与挖斗连接处；

斗杆的强度

1.最大应力位于铲斗缸支座上圆弧过渡处，其值为138Mpa；

2.上盖板应力最大区位于铲斗缸支座与上盖板连接处，为93MPa左右，同时该处为应力集中区。

3.下盖板最大应力值为120MPa，位于板的中间部位；

4.左右两侧板应力较小，其应力介于上下盖板应力值之间；

5.斗杆与铲斗连接处最大应力值为75MPa；

6.斗杆与动臂连接处最大应力值为110MPa，位于孔边缘；

7.斗杆与斗杆缸连接处最大应力值为48MPa；

8.斗杆中筋板的应力较小，基本不超过40MPa；