基于有限元分析的挖掘机工作装置耳板设计

苑春迎　陆勇志

摘要：阐述了挖掘机耳板的作用，基于有限元分析法，对挖掘机动臂耳板进行结构设计，分析其结构强度，旨在设计出符合工作要求的耳板。

关键词：有限元；挖掘机；耳板

挖掘机在工程机械中占有举足轻重的地位，广泛应用于房屋建筑、道路工程、农田水利，市政工程，公路铁路，机场港口、国防工程等领域机械化施工，对保证工程质量，提高工作效率起着十分重要的作用。

挖掘机利用工作装置进行各种挖掘工作，挖掘机动臂和斗杆上分别有一对耳板，油缸以耳板为支撑做往复直线运动实现挖掘动作。耳板的设计质量直接影响到工作装置的可靠性，一旦耳板工作失效将导致油缸不能正常工作，整个挖掘机工作故障。基于有限元分析，对设计的耳板进行强度校核，可以在设计之初发现问题，减少产品开发周期及成本，提高整机运行的可靠性。

1.耳板

图1挖掘机工作装置示意图

图1中④是挖掘机动臂耳板。

图2为某吨位挖掘机耳板设计图纸

图2耳板设计图

2.耳板所受载荷计算

油缸无杆腔缸径：170mm

系统工作压力：32Mp

耳板轴孔：100mm

板厚：35mm

材质：Q295B

选取工作时大腔进油，此时油缸的推力为工作中最大值：

根据牛顿第三定律，耳板轴孔受力为 。

3.有限元分析

Altair HyperMesh是世界领先的独立于求解器的有限元分析前后处理平台，拥有全面的CAD和CAE求解器接口，强大的几何清理、网格划分以及模型装配功能。

对耳板进行实体网格划分，共9629个单元，3008个节点。约束底面6个自由度，轴孔内受力面（轴孔内面积的一半，方向为油缸运动的反方向）施加压强大小为：

（1）

利用Hyperworks自带求解器Radios计算，分析结果显示耳板最大变形为0.139mm，最大应力为304Mp。

以上结果可以看出，耳板在最大载荷情况下，应力304MP>295Mp，耳板进入塑性变形阶段。在最大载荷工况下，铲斗油缸安装位置发生变化，工作装置不能正常工作且易损坏油缸。即原设计强度达不到要求，根据公司钢材规格，把耳板厚度增加到50mm，由公式（1）计算轴孔内施加的压强P3为92.48MP。

修改载荷为92.48MP，其他约束不变，再次提交Radios计算。

计算结果显示，耳板最大变形为0.1mm，最大应力217MP，图3为计算应力云纹图。

图3最大应力217MP

据机械设计师手册，Q295B在板厚35～50时，材料强度 不小于255MP，耳板在最大载荷情况下应力为217MP，所以50mm厚耳板强度满足要求，结构设计安全，符合工作要求。

4.结论

基于有限元耳板设计，能在设计时准确的校核设计强度，保证结构的安全性；减少产品开发周期，为整个新产品开发节约成本。

参考文献：

[1]李楚林，张胜兰，冯樱等.Hyperworks分析应用实例[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]吴宗泽.机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社， 2002.

[3]陈进，庞晓平等.单斗液压挖掘机工作装置关键技术研究[M].北京：科学出版社，2014.

作者简介：

苑春迎（1984年～）男，河南周口人，硕士，助理工程师，研究方向：工程机械结构。

陆勇志（1985年～）男，广西钦州人 硕士，助理工程师，研究方向：机电一体化。