大型挖掘机销轴力传感器结构有限元仿真分析*

梁艳彬，万一品，周宇杰，刘 旋，贾 洁

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

大型挖掘机在环境恶劣、作业状况复杂时对关键部件的可靠性要求较高[1-2]。销轴受力始终受到业内学者的广泛关注，郭承志等设计了一种用于工程机械销轴载荷谱测试的简便销轴传感器，并对销轴传感器进行了标定试验[3]。姜万录等设计了用于间接测量挖掘阻力的销轴传感器[4]。万一品等提出了采用两种载荷制取方法进行多种作业工况下的载荷验证和铁矿粉物料下的载荷测试试验[5]。由此可见，大型挖掘机销轴力传感器的结构是否合理、强度是否满足作业需求是测试铲斗和斗杆连接处受力大小所需考虑的重点。

但是大多数学者未提及对于销轴力传感器前期结构合理性的分析，所以笔者着重进行三种典型工况下销轴力传感器的仿真分析，通过前期仿真分析说明其结构是否合理、强度是否满足作业需求。

1 销轴力传感器模型

销轴力传感器安装在大型挖掘机斗杆和铲斗连接处，销轴力传感器分左、右两个，目的是为了在测量出正载和侧载的基础上能直观地反应出偏载的变化。为了增加抗弯能力，方便连接线的安装以及减重，将销轴传感器设计成一个中空结构。根据挖掘机斗杆和铲斗连接处原销轴结构推算，结合实际工程设计中挖掘机结构设计经验，获得销轴力传感器结构尺寸。在SolidWorks中建立销轴力传感器结构模型，如图1所示。

图1 销轴力传感器三维模型

2 挖掘机三种典型工况分析

选择挖掘机三种典型工况进行静力学分析，计算出挖掘阻力大小以及销轴力传感器受到的载荷大小。

(1) 典型工况1

启动挖掘机，收缩动臂油缸达到其极限高度，此时动臂重心处于其最低位置，斗杆油缸产生最大力臂，动臂和斗杆的连接点O2、铲斗齿尖点L、铲斗和斗杆的连接点O3三点处于一条直线O2LO3上，如图2所示。此工况下，最大挖掘力主要受限于动臂油缸闭锁能力。

图2 典型工况1下整机最大挖掘力分析 图3 典型工况2下整机最大挖掘力分析

在挖掘机动臂油缸处于闭锁状态时，动臂油缸的抗拉能力和其有杆腔闭锁压力F1成一定的线性关系。令挖掘机工作装置为隔离体，对动臂上一点O1列力矩平衡方程，求解典型工况1下最大挖掘阻力FW1，如式(1)所示：

(1)

式中：RO1W1表示挖掘机动臂油缸对O1点产生的力臂大小；RO1Gi表示重心Gi与O1点的水平距离。

(2) 典型工况2

启动挖掘机，首先收缩挖掘机动臂油缸，使动臂油缸的重心处于最低位置。其次拉伸挖掘机斗杆油缸和铲斗油缸，使动臂和斗杆的连接点O2、斗杆和铲斗的连接点O3的连线O2O3与平面XOZ垂直，如图3所示。此工况下，最大挖掘力主要受限于斗杆油缸闭锁能力。

在挖掘机斗杆油缸处于闭锁状态时，斗杆油缸的抗压能力与其无杆腔的闭锁压力F2有一定的线性关系。令挖掘机斗杆、铲斗、连杆和摇臂为隔离体，对动臂和斗杆的连接点O2列力矩平衡方程，根据平衡方程解出斗杆油缸闭锁时的最大挖掘阻力FW2，如式(2)所示：

(2)

式中：RO2W2表示挖掘机动臂油缸对O2点产生的力臂大小；RO2Gi表示重心Gi与O2点的水平距离。

(3) 典型工况3

启动挖掘机，保持机身稳定，动臂油缸和斗杆油缸同时作用，使两油缸的作用力臂均处于最大位置，伸缩挖掘机铲斗油缸使铲斗处于最大挖掘力位置，如图4所示。此工况下，最大挖掘力受限于挖掘机铲斗能发挥的主动能力。

图4 典型工况3下整机最大挖掘力分析

在挖掘机铲斗能力发挥主动能力时，若不考虑铲斗、铲斗中剩余物料以及其他部件自重的影响，挖掘机铲斗的理论挖掘力FW3′计算公式如式(3)所示，但实际挖掘作业时，这些因素确实存在，所以实际挖掘阻力与其有较大偏差。如果考虑这些因素，把铲斗和连杆作为隔离体，对斗杆和铲斗的连接点O3列力矩平衡方程，根据平衡方程解出实际工况3下的最大挖掘阻力FW3，如式(4)所示：

(3)

(4)

式中：n是铲斗连杆机构总传动比；r1、r2、r3、r4分别表示铲斗油缸对铰点H产生的力臂、连杆IK对铰点H和铰点O3产生的力臂、铲斗挖掘力FW3′对铰点O3作用力臂；RO3G3、RO3G7、RO3G8分别表示铲斗整体(包括铲斗中的物料和其他部件)、摇臂、连杆的重心与铲斗和斗杆的连接点O3的水平距离。

对以上三种典型工况进行简单分析可知，每种工况下最大挖掘阻力是不一样的。挖掘机作业对象不同时，对计算出的最大挖掘阻力影响也是不一样的。但是在一定误差范围内，均可认为以上最大挖掘阻力计算公式是可以被采纳的。现在单独取铲斗作为隔离体，对铲斗进行系列受力分析，如图5所示。对X，Y方向上分别取力平衡方程有：

图5 挖掘机铲斗受力分析

(5)

销轴传感器径向方向上最大受力FO3：

(6)

3 有限元仿真及结果分析

根据挖掘机整机重量及尺寸等参数求各载荷大小，如表1。销轴力传感器材料为Q345，弹性模量206 GPa，泊松比0.3。

表1 不同工况斗杆和铲斗铰接点作用力大小 /kN

使用有限元分析软件Workbench对销轴力传感器进行0.1 mm的自由网格划分，销轴力传感器主体结构的有限元网络模型如图6所示，共有76 679个节点，51 818个单元。由应力云图可以得到三种工况下销轴力传感器的应力分布状况，如表2所列。

图6 销轴力传感器网格划分结果

表2 三种典型工况下销轴力传感器应力状况表

在销轴力传感器径向力受力段施加载荷，支撑段添加位置约束，各典型工况下应力云图如图7所示。

图7 典型工况下销轴力传感器有限元分析结果

通过应力分布可以看出销轴力传感器整体结构设计合理，并且三种典型工况下应力大小均低于销轴力传感器本身材料屈服极限。

4 结 语

文中以挖掘机工作装置部分为研究对象，在三种典型工况下分析计算理论挖掘力大小，并取铲斗为隔离体计算销轴力传感器受力段所受理论载荷大小，通过有限元软件得到大型挖掘机销轴力传感器的应力分布规律。根据分析结果可知，在三种典型工况下销轴力传感器均能满足使用需求，为销轴力传感器实际加工生产和测试应用提供技术基础。