大型挖掘机工作装置动臂结构有限元仿真分析*

刘 旋，万一品，周宇杰，梁艳彬，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)

液压挖掘机是功能最典型、结构最复杂、用途最广泛的工程机械之一[1]。动臂是挖掘机工作装置的主要部件，其结构参数对挖掘机的挖掘效率及可靠性有着重要影响。

目前，国内研究人员在动臂设计领域已经进行了一定程度上的深入研究，使得挖掘机工作效率得以提高。文献[2],[3]对工作装置结构进行了优化，提高工作效率。曹蕾蕾等[4]以疲劳试验与仿真分析为手段，得到动臂危险位置与疲劳寿命。万一品等[5]分析了装载机动臂结构力学，进行了拓扑减重优化。王健等[6]在反铲液压挖掘机工作装置轻量化设计方面取得了一定成果，经测试证明设计有效降低了生产成本。

因此，液压挖掘机动臂的结构是否合理、强度是否满足作业工况是挖掘机设计所需考虑的重点。笔者对挖掘机动臂典型工况进行静力学分析，以结构质量轻为目标，对动臂结构进行优化设计。

液压挖掘机工作装置是由板焊接而成的箱型结构，主要由动臂、斗杆、销轴、液压油缸和铲斗等部件构成。本设计以最大输出扭矩为1 898 N·m的发动机为动力来源，根据挖掘机设计流程逆行推算，结合实际工程设计中挖掘机结构设计经验，获得各部件结构尺寸。分析部件模型，去除与结构受力无关的倒角、圆孔等尺寸特征，在SolidWorks中建立动臂结构简化模型，如图1所示。

图1 挖掘机动臂三维模型

根据GB/T 9141-88《液压挖掘机结构强度试验方法》的规定，选择挖掘机两种工作状况进行静力学分析，验证动臂结构的设计合理性，挖掘机整体结构简图，如图2所示。

图2 挖掘机整体结构简图

挖掘机动臂铰接点B、C在工作时只起到支撑作用，在分析时不予考虑，只需对铰接点D、E在不同工况下进行加载分析。动臂结构受力示意图如图3所示。

图3 动臂受力示意图

确定挖掘机动臂结构受力的两种典型工况如下。

工况一：挖掘机斗杆抬起，油缸L2收缩，对铰点D、F起到拉作用力，且铰点E起一定的支撑作用。

工况二：铲斗进行挖掘的工况下，油缸L2、L3伸长，使斗杆铲斗端向内回缩，铲斗开始挖掘工作。

根据挖掘机整机重量及尺寸等参数，求得各载荷大小，如表1所列。动臂材料为Q235，弹性模量210 GPa，泊松比0.274。

表1 不同工况铰接点作用力大小 /kN

对动臂模型进行自由网格划分，得到动臂主体结构的有限元网络模型，如图4所示，共有250 004个节点，153 527个单元。在铰接孔B、C添加位置约束，铰接位置D、E施加载荷，得到变形及应力云图如图5、6所示。

图4 动臂网格划分结果示意图

图5 工况一有限元分析结果

图6 工况二有限元分析结果

分析变形图和应力云图，可以得到两种工况下动臂的变形情况以及应力分布状况，如表2、3所列。

表2 两种工况下动臂变形情况表

表3 两种工况下动臂应力状况表

虽然动臂受力产生的应力值低于材料屈服强度，但在动臂耳板和动臂中部位置处都有较大的应力值，特别是耳板孔和铰接点C凸台底部应力集中最大，且铰接位置E处变形较大。为了降低应力极限点处的应力大小，可在耳板、动臂端部和尾部处增设凸台，并调整动臂应力较大位置区域板厚，来改善动臂整体结构受力状况。

根据上述分析可以得出结论，动臂主体在典型工况下的变形较大，但部分区域应力还有较大的安全余量。可去除应力较小区域，而增加应力及变形较大区域的部分材料，实现动臂主体结构的初步优化设计。在此基础上对动臂增加了过度曲面，加大了受力较大的倒角处的倒角半径，使得动臂的结构受力更加合理。改进后的挖掘机动臂模型如图7所示。

图7 改进后的桥壳模型图

对优化后动臂进行有限元仿真分析验证，变形及应力云图如图8、9所示，优化前后应力、变形对照表如表4所列。

图8 优化后工况一有限元分析结果

表4 优化前后应力、变形对照表

图9 优化后工况二有限元分析结果

文中以康明斯QSM11发动机输出扭矩为计算原始数据，逆行推算出挖掘机驱动装置各部件的尺寸，设计出大型挖掘机动臂。以挖掘机工作装置主体部分为研究对象，对其两种典型工况进行分析，掌握大型挖掘机工作装置动臂部件的位移和应力分布规律。根据分析结果对动臂结构进行了初步优化，使得挖掘机应力减小11%和6%，位移减小18%和38%。优化后的动臂质量和应力集中均有所减小，为同类型产品结构设计提供一定的参考价值。