挖掘装载机伸缩斗杆的有限元分析*

赵学龙，潘国斌，刘 寅，刘巧珍，蓝 强

(江苏柳工机械有限公司，江苏 镇江 212005)

1 前言

挖掘装载机俗称“两头忙”［1］，是一种多功能工程机械，挖掘装载机可配吊、叉、压、锤、系列挖掘斗、破碎锤、振动夯、四合一斗等几十种不同作业装置，以此完成更多的作业内容。在市政工程维护、道路养护方面比装载机、挖掘机有更强的环境适应性。

挖掘装载机的多功能是通过功能模块化来实现的。生产厂家在原有的整机平台上开发出可替换的新模块，用新模块替换标准模块后，实现用户在整机的某些功能方面的个性化需求。伸缩斗杆工作装置就是这样的可选配模块，配置伸缩斗杆后用户可在原有的主机平台上获得更大的挖掘半径和挖掘深度，只需花少量费用就可享受更大一号机器所具有的功能。

笔者在伸缩斗杆的结构设计中采用ANSYS WORKBENCH软件进行了有限元分析［2］，在设计阶段就暴露了初始设计的一些缺陷，减少了后续改进方面的人力物力损失。

2 三维建模及模型处理

在Proe中建立如图1所示的伸缩斗杆的三维设计模型。该可伸缩斗杆装置由上斗杆、下斗杆、伸缩油缸等三个主要部件及其他必要的辅助部件组成，通过伸缩油缸的伸缩运动带动上、下斗杆的伸缩。该设计模型有许多有限元分析模型所不需要的特征，在将设计模型导入到有限元分析环境中之前需将设计模型予以预处理，以减少分析环节不必要的劳动。

螺纹孔的处理是根据螺纹孔所处的位置及重要度，将螺纹孔简化为普通孔或删除。WORKBENCH软件不能识别Pro/E中的螺纹特征，如果不加处理直接将模型导入到WORKBENCH中，软件会提示出错，初学者易犯这个错误。

图1 伸缩斗杆三维设计模型

倒角的处理:一般情况下，倒角特征予以删除;倒圆角的处理:在无关紧要处，删除倒圆角;在关键位置可将圆角保留;附属小部件的处理，一般情况下，三维设计模型中存在的一些分析模型用不到的附属小部件删除即可;焊缝的处理:设计模型中一般无焊缝，分析前需将焊缝补上，以消除不存在的应力集中。

3 网格划分

对于小型的简单部件，组件实体模型就可继续下一步的分析，软件会自动给不同的零件设置连接关系。而本文所述的伸缩斗杆为比较复杂的大组件，如果直接进行后续分析，则容易产生较大误差，需将其合并为单个的实体。

将合并成单个实体的伸缩斗杆进行自动网格划分，单元格大小为10 mm，本次所要划分的单元总数为158421个，节点总数为310722个，单元类型由WORKBENCH软件自动确定，以四面体单元为主。

4 约束及载荷施加

为便于约束及载荷施加的描述方便，给斗杆各个铰点予以命名，如图2所示。

图2 斗杆各铰点名称

对于伸缩斗杆，将其假想为1个简支梁，F点和Q点为约束点，除F点外其他铰点处施加载荷，如表1所列。表1中“√”表示被约束，空格表示约束被放松。F1点和F2点从二维角度是同一点，从三维角度还有横向尺寸，因而F1点是三向约束，而F2点的Z向要放松，否则过约束。

对于如何求得挖掘力，上海第二工业大学的祖英利在其论文《挖掘装载机整机挖掘力刚体动力学分析》中对整机的理论挖掘力进行了详细推导［3］。

表1 支点约束表

对于如何求挖掘装置的危险工况，柳工做了大量研究，并制定了相关规范，限于篇幅在此不赘述该确定过程，直接得出结果。斗杆缩回状态的危险姿态为“铲斗挖掘工况(8.8，28.6，16.8)”。斗杆伸出状态的危险姿态为“铲斗挖掘工况(－31.9，104.7，63)”。此处括号内的 3 个数字代表动臂、斗杆、铲斗的转角，每组坐标可唯一确定挖掘装置的一个工作姿态。伸缩斗杆可伸缩，因而要分别考虑斗杆缩回状态和伸出两种情况。

由于各铰点力数值表占用较大篇幅，此处只提供斗杆缩回状态下的各点铰点力，如表2所列，表中挖掘装置姿态 UCL=8.8，UF=28.6，UQL=16.8。

表2 斗杆缩回状态铲斗挖掘工况下斗杆的铰点力 /kg

5 分析结果及解读

表2中的正载工况表示载荷正中作用在铲斗的斗齿上，而偏载工况表示载荷作用在铲斗的侧刃上，分析结果表明偏载工况比相应正载工况危险。限于篇幅，在此只叙述偏载工况的结果。将各铰点力及约束施加到分析模型上，得到各工况的静强度分析云图，可根据此结果判断设计是否合适。

上下斗杆的材料为Q345，它的弹性极限为345 MPa，本公司设计惯例为计算强度小于206 MPa，符合要求。

斗杆在缩回状态和给定的危险工况下，其上下斗杆上的应力强度都不是很大，从静强度分析角度来看，该伸缩斗杆设计可行，如图3所示。

斗杆在伸出状态和给定的危险工况下，其上下斗杆上有几处应力强度很大，上斗杆上铲斗油缸安装耳板处的焊缝处应力已达到414.64 MPa;下斗杆上靠近上斗杆末端的位置处应力已达到305 MPa。后续必须进行设计改进，如图4所示。

图3 斗杆缩回状态偏载工况应力

图4 斗杆伸出状态偏载 工况应力

6 设计改进

根据分析计算结果，对伸缩斗杆的几何形状进行多次更改并多次计算，得到了比较满意的改进后结果，如图5所示。

图5 改进后斗杆伸出状态偏载工况应力

改进后的铲斗油缸支座耳板处的最大应力从414.64 MPa下降到232.93 MPa。下斗杆侧板上部的最大应力从305.25 MPa下降到217.24 MPa。基本满足预定要求。

7 结论

按以往的类比设计，设计缺陷在经过画图、做样件、装机、工作这一循环后被暴露。有限元分析技术介入到设计工作中后，缩短了设计改进的进程。采用有限元分析技术，分析工作是在计算机中进行，节省了大量实物制造方面的费用。ANSYS WORKBENCH是面向设计师的分析工具，设计师不需要太多的专业分析知识及技能，普通设计师略加培训后就可利用该分析工具进行工作。

［1］王云华.挖掘装载机挖掘装置液压系统仿真与实验分析［D］.长春:吉林大学，2012.

［2］王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］祖英利，黄 瑞，于洪洋.挖掘装载机整机挖掘力刚体动力学分析［J］.上海第二工业大学学报，2011，28(4):307 －312.