基于UG/ANSYS的液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

液壓挖掘機(jī)作為工程機(jī)械中的重要設(shè)備,其性能直接影響工程效率和機(jī)械安全。動(dòng)臂作為液壓挖掘機(jī)中承受復(fù)雜負(fù)載的關(guān)鍵部件,其設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)提高整體機(jī)械性能具有決定性作用^[1]。本研究選取斗山品牌的中型液壓挖掘機(jī)作為研究對(duì)象,采用UG和 ANSYS軟件工具,基于動(dòng)臂的危險(xiǎn)工況分析和有限元仿真分析,對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)參數(shù)化建模和優(yōu)化分析,本研究旨在實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)的最優(yōu)性能,確保機(jī)械在復(fù)雜工況下的可靠性和安全性。

1液壓挖掘機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 性能參數(shù)

液壓挖掘機(jī)通過(guò)液壓泵轉(zhuǎn)換發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵部件如液壓馬達(dá)和缸體,實(shí)現(xiàn)作業(yè)設(shè)備的控制,具有較好的靈活性與廣泛的適用性。液壓挖掘機(jī)性能主要由操作重量、發(fā)動(dòng)機(jī)功率及鏟斗容量三大參數(shù)決定^[2]。本研究采用的是斗山品牌中型液壓挖掘機(jī),詳細(xì)性能參數(shù)如表1所示。

液壓挖掘機(jī)操作過(guò)程大致如下:

1)位置移動(dòng):挖掘機(jī)通過(guò)行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走裝置,移至作業(yè)位置。

2)挖掘動(dòng)作:動(dòng)臂油缸、斗桿油缸與鏟斗油缸協(xié)作,進(jìn)行土石挖掘。

3)土石抬升:動(dòng)臂油缸收縮,配合斗桿與鏟斗油缸操作,抬升挖掘物。

4)調(diào)整卸載方向:回轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)回轉(zhuǎn)馬達(dá)調(diào)整,確保正確的卸載方向。

5)土石卸載:控制鏟斗與斗桿油缸動(dòng)作,將土石卸至指定位置。

1.2 三部件參數(shù)化建模

液壓挖掘機(jī)主要由工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置三個(gè)基本部分構(gòu)成。工作裝置是挖掘機(jī)的核 心 ,包括動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、液壓油缸等關(guān)鍵組件。動(dòng)臂的設(shè)計(jì)特別重要,它通常采用輕質(zhì)高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu),由多種厚度的鋼板焊接成箱形結(jié)構(gòu),通過(guò)分段式設(shè)計(jì)如三段式翼板和多段式腹板優(yōu)化其承載能力和耐用性,如圖1(a)所示。使用UG軟件進(jìn)行動(dòng)臂的參數(shù)化建模,這種設(shè)計(jì)方式允許按照鉸鏈孔的相對(duì)位置進(jìn)行精確裝配,從而確保挖掘機(jī)各部件協(xié)調(diào)運(yùn)作,如圖1(b)所示。此外,為簡(jiǎn)化建模過(guò)程,回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置的模型被簡(jiǎn)化處理,這樣有助于快速組裝挖掘機(jī)的三大主要裝置,構(gòu)成一個(gè)完整的三維結(jié)構(gòu),也有助于直觀展示不同工作狀態(tài)下挖掘機(jī)各鉸鏈點(diǎn)的應(yīng)力情況,從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。挖掘機(jī)整體建模裝配如圖1(c)所示。

2液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1基于危險(xiǎn)工況的動(dòng)臂有限元仿真分析

2.1.1 比選危險(xiǎn)工況

液壓挖掘機(jī)運(yùn)行時(shí),會(huì)遭遇多種復(fù)雜的挖掘環(huán)境,需精準(zhǔn)分析其運(yùn)行狀況以識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)工況。表2詳細(xì)分析了液壓挖掘機(jī)的不同工作特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。

在工況3中,液壓挖掘機(jī)各鉸鏈點(diǎn)受到的力差異顯著,使得此狀態(tài)成為最具挑戰(zhàn)性的危險(xiǎn)工況。由于其復(fù)雜性,需要進(jìn)行細(xì)致的力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)校驗(yàn),確保挖掘機(jī)在操作過(guò)程中的安全性和效率。這種分析能幫助識(shí)別潛在的弱點(diǎn)和應(yīng)力集中區(qū),從而進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)調(diào)整和強(qiáng)化,以適應(yīng)高負(fù)荷工作的需求。

2.1.2動(dòng)臂鉸接點(diǎn)受力分析

在液壓挖掘機(jī)的工作裝置分析中,采用X—Z平面作為參考基準(zhǔn),編號(hào)并分析動(dòng)臂、搖臂、油缸等部件的鉸接點(diǎn),如圖2(a)所示。忽略偏載和鉸點(diǎn)摩擦影響,并假設(shè)所有情況處于靜止?fàn)顟B(tài)。通過(guò)將連桿、搖臂和油缸簡(jiǎn)化為二力桿,應(yīng)用力矩平衡和力平衡原理,計(jì)算這些鉸接點(diǎn)在X和Z方向上的受力情況。針對(duì)動(dòng)臂部分的具體分析,將動(dòng)臂視為獨(dú)立部分,其他部 分視為剛性整體。重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)臂鉸接點(diǎn)B、C、D、F的 受力情況。由于所有鉸接力都在X—Z平面內(nèi),因此可以通過(guò)這些鉸接點(diǎn)在X、Z方向上的分力進(jìn)行受力分析,如圖2(b)所示。下文以鉸接點(diǎn)F為分析中心,計(jì)算動(dòng)臂與斗桿連接點(diǎn)F以及動(dòng)臂與斗桿油缸連接點(diǎn)D承受的載荷,這樣有助于有效評(píng)估液壓挖掘機(jī)工作裝置在不同工況下的受力情況,從而進(jìn)行更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

為全面理解并分析液壓挖掘機(jī)工作裝置在各種工作狀態(tài)下的力學(xué)行為和穩(wěn)定性,根據(jù)液壓挖掘機(jī)工作裝置的力矩平衡和力平衡方程可得:

ΣM_F=ΣF_X=ΣF_Z=0  (1)

式中:M_F表示力矩;F_X表示作用在X方向的力;F_Z表示作用在Z方向的力。

這是液壓系統(tǒng)靜態(tài)平衡的基本條件,用于確保系統(tǒng)在任何給定條件下都處于平衡狀態(tài)?？紤]圖2中已知的各部件受力,可以將這些力值代入方程(1),展開求解,得到:

式中:Fw、Gi、FE分別代表斗桿油缸的力、各部件的重力以及搖臂的外力;Lw、Li和LE是相應(yīng)的作用距離;F_EX、F_EZ分別表示斗桿油缸與斗桿鉸接點(diǎn)E在X方向和Z方向上的受力;F_FX、F_FZ分別表示動(dòng)臂與斗桿鉸接點(diǎn)F在X方向和Z方向上的受力;φ是鏟斗的挖掘角度。

各力的分量關(guān)系如下:

式中:α是斗桿油缸傾斜角,鏟斗的挖掘角度和斗桿油缸傾斜角影響力的水平和垂直分量。

通過(guò)代入理論挖掘力、各組件自重以及作用點(diǎn)的力臂長(zhǎng)度到上述力矩平衡和力平衡方程中,可以聯(lián)立求解得到以下力的分量:F_EX、F_EZ、F_FX、F_FZ。

此外,計(jì)算時(shí),將斗桿油缸視為一個(gè)直桿。基于牛頓第三定律,可知?jiǎng)颖叟c斗桿油缸的鉸接點(diǎn)D的載荷將與斗桿油缸與斗桿的鉸接點(diǎn)E的載荷在大小上相等,但方向相反。因此,可以得出動(dòng)臂與斗桿油缸鉸接點(diǎn)D的受力:在X方向和Z方向上的力分別為F_DX和F_DZ。

選擇工況3進(jìn)行分析,此工況中,三個(gè)油缸協(xié)同作業(yè),且鏟斗的切向挖掘力取動(dòng)臂、斗桿和鏟斗三者中的最大理論挖掘力。通過(guò)將此最大挖掘力值及其他相關(guān)參數(shù)代入已有力學(xué)方程,可計(jì)算出此工況下的關(guān)鍵力學(xué)數(shù)據(jù),具體如表3所示。

2.1.3有限元仿真分析

在使用UG和ANSYS Workbench軟件創(chuàng)建并優(yōu)化動(dòng)臂的三維模型后,采用Static Structural模塊進(jìn) 行靜態(tài)力學(xué)分析^[3]。模型導(dǎo)入后,通過(guò)Design Modeler 工具細(xì)化處理,并在Geometry中指定動(dòng)臂材料屬性為結(jié)構(gòu)鋼Q345D,具體包括泊松比0.3,彈性模量206000MPa和屈服強(qiáng)度345MPa。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格,主要網(wǎng)格大小設(shè)為40 mm,關(guān)鍵區(qū)域如鉸接點(diǎn)和耳板處的網(wǎng)格則分別細(xì)化至10 mm和15 mm。此外,設(shè)置網(wǎng)格過(guò)渡為Slow,以優(yōu)化計(jì)算效率和精度。動(dòng)臂的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

在進(jìn)行危險(xiǎn)工況下動(dòng)臂的靜力學(xué)分析之前,首先需要調(diào)整坐標(biāo)系統(tǒng),使之基于動(dòng)臂模型而非挖掘機(jī)的基座。為準(zhǔn)確模擬鉸接點(diǎn)的力作用,本次采用了Bearing Load在鉸接點(diǎn)施加載荷,并考慮了動(dòng)臂自重的影響,通過(guò)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地球重力,將Z軸的重力方向設(shè)置為負(fù)^[4]。此外,為了抵消結(jié)構(gòu)體兩端的輕微不平衡力,本次加入了弱彈簧來(lái)消除由這種不平衡造成的剛性位移,并模擬鉸接運(yùn)動(dòng)。在遠(yuǎn)端位移設(shè)置中,對(duì)X、Y和Z方向的位移進(jìn)行了約束,具體設(shè)定如下:RotX、Roty和RotZ分別為0、自由和0。

通過(guò)求解方案,本次添加了等效應(yīng)力和總變形的分析,以獲取工況3下動(dòng)臂的應(yīng)力云圖和位移云圖,如圖4所示。為了便于進(jìn)行強(qiáng)度分析,在DM模塊中還特別添加了一個(gè)最大值指示標(biāo),以突出顯示關(guān)鍵的應(yīng)力區(qū)域。

工況3下,動(dòng)臂的最高應(yīng)力為284.57 MPa,低于安全極限345MPa,主要集中在上翼板與耳板連接區(qū);動(dòng)臂與斗桿、油缸鉸接處也出現(xiàn)應(yīng)力集中。動(dòng)臂的最大位移為5.586 2 mm,主要位于動(dòng)臂前端,表明動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性都符合設(shè)計(jì)及工作標(biāo)準(zhǔn)。

2.2液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

動(dòng)臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):

1)增厚耳板:為了減少耳板與上翼板連接處的應(yīng)力集中,耳板的厚度增加至50 mm。

2)動(dòng)臂與斗桿鉸接處的結(jié)構(gòu)改進(jìn):在動(dòng)臂與斗桿鉸接處的兩側(cè)分別增加一個(gè)中空?qǐng)A臺(tái),圓臺(tái)尺寸如下:139mm×145mm×16mm(上圓直徑×下圓直徑×高)。

3)動(dòng)臂與油缸鉸接處的結(jié)構(gòu)改進(jìn):與2)相類似,在動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸接處的兩側(cè)也各增加一個(gè)中空?qǐng)A臺(tái),圓臺(tái)尺寸如下:129 mm× 140 mm× 16mm(上圓直徑×下圓直徑×高)。

這些措施旨在降低應(yīng)力集中,減少變形,從而提高動(dòng)臂的工作性能,延長(zhǎng)其使用壽命^[5]。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,獲取優(yōu)化后的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)在最危險(xiǎn)工況(工況3)下的最大應(yīng)力、變形情況,如表4所示。

在工況3下,優(yōu)化后的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大變形值相比原結(jié)構(gòu)分別降低了約13%和6.2%。這一顯著的改進(jìn)不僅表明應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了有效消除,還說(shuō)明優(yōu)化的結(jié)構(gòu)完全滿足材料的強(qiáng)度和剛度要求,進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性和實(shí)用性。

3 結(jié)論

1)本研究使用UG/ANSYS軟件,以斗山品牌的中型液壓挖掘機(jī)為例,進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模與動(dòng)臂優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2)分析了三種典型運(yùn)行工況,識(shí)別出工況3(動(dòng)臂油缸、斗桿油缸與鏟斗油缸協(xié)同作業(yè))為最危險(xiǎn)工況,并對(duì)動(dòng)臂鉸接點(diǎn)D、F在X、Z方向的分力進(jìn)行了計(jì)算。

3)工況3的靜力學(xué)分析表明,動(dòng)臂最大應(yīng)力達(dá)到284.57 MPa,最大位移為5.586 2 mm,強(qiáng)度和剛度均符合要求。動(dòng)臂耳板部位應(yīng)力最大,存在應(yīng)力集中。

4)對(duì)動(dòng)臂耳板及其他薄弱部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使最大應(yīng)力和變形分別減少13%和6.2%,有效延長(zhǎng)了設(shè)備的疲勞壽命,并為類似工程機(jī)械設(shè)計(jì)提供了實(shí)用的參考。

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2024年第22期第11篇