大型液压挖掘机工作装置结构有限元分析

贺雨田++吕彭民++牛选平

摘 要：为了研究液压挖掘机工作装置的结构强度对挖掘机使用寿命的影响，针对某大型液压挖掘机工作装置的结构特点，在对其结构简化的基础上，采用实体单元、板壳单元和梁单元联合建模方式，建立了液压挖掘机工作装置整体有限元模型。选择了三种典型工况进行了结构有限元分析，通过对不同工况下挖掘机工作装置的应力分析和疲劳强度评估，发现了该挖掘机工作装置静强度和疲劳强度不足部位，并提出了挖掘机结构优化改进建议。

关键词：挖掘机；工作装置；有限元模型；使用寿命

中图分类号：U415.51 文献标志码：B

Finite Element Analysis of Working Device of Large- sized Hydraulic Excavator

HE Yu- tian1，2， LU Peng- min1， NIU Xuan- ping3

（1. Key Laboratory of Road Construction & Equipment of MOE， Changan University， Xian 710064，

Shaanxi， China；2. Xian Special Equipment Inspection Institution， Xian 710065， Shaanxi， China；

3. World Heavy Industry （China） Co.Ltd.， Zhenjiang 212143， Jiangsu， China）

Abstract： Based on the structural features of the working device of a large- sized hydraulic excavator， the finite element model was simplified and established with solid elements， plane elements and beam elements， and the finite element analysis was carried out for three kinds of typical working conditions. Through stress analysis of the working device under different conditions， areas with insufficient static strength and fatigue strength of excavator were found， and advice for excavator structure optimization was proposed.

Key words： excavator； working device； finite element model； service life

0 引 言

对于挖掘机这样结构较为复杂、运动状态多变的工程机械而言，采用常规的解析法无法获得结构局部的应力应变分布和位移变化情况。通过有限元计算对工作装置结构强度进行评估是一种有效可行的办法。近年来，挖掘机不断向大型化方向发展，由于大型挖掘机的作业条件和工作环境较为恶劣，因此对其强度、刚度和可靠性等提出了更高的要求。

挖掘机工作装置是由动臂、斗杆和铲斗组成的开链杆件系统，它通过对各杆件位置的调整实现挖掘作业。为了获得挖掘机工作装置的应力分布，可以对动臂、斗杆、铲斗以及销轴等挖掘机的各个结构进行单独分析，但这种从整体中分离的局部计算往往受到边界条件和载荷的影响，当计算设置不合理时，会影响结果的准确性[1- 2]。本文选择某50T大型挖掘机为研究对象，对挖掘机工作装置简化处理后，建立了工作装置结构整体的有限元模型，通过典型工况应力分析，对计算结果进行了对比评估，给出了结构改进建议，为挖掘机工作装置设计提供了可靠数据。

1 工况选择与载荷确定

选择液压挖掘机工作装置的计算工况参照《液压挖掘机结构强度试验方法》（GB 9141—88）进行，选择3种工况进行有限元分析，计算时主要考虑重力和切向力的作用。

工况1：动臂和斗杆液压缸作用力臂最大，铲斗液压缸以最大当量力臂工作。

工况2：动臂液压缸全缩，斗杆液压缸作用力臂最大，斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上。

工况3：动臂液压缸全缩，斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上，且三点所在的直线位于铅垂线上。

图1给出了3种工况下不同的挖掘姿态，在确定各工况的切向力时，选择3种姿态下最不利的工况进行分析。根据作用力与反作用力原理，在3种姿态下挖掘机能提供的最大挖掘力就是挖掘机在挖掘机过程中所承受的最大挖掘阻力。经计算，3种工况下挖掘机提供的最大挖掘力见表1。

2 有限元模型建立

目前，先通过三维软件建立几何模型，然后再导入有限元软件建立有限元模型的方法应用较为广泛[3]。但由于格式转换的误差，可能导致一些几何数据信息丢失[4]，虽然可以在有限元软件中进行模型修复，但仍然容易出现疏漏，给计算带来不利影响，而采用有限元软件直接建模可以避免不必要的错误，因此本文采用有限元软件进行整体建模。

2.1 挖掘机工作装置结构

1个铲斗、2个工作臂（斗杆与动臂）、3组油缸和11根销轴以及一些其他辅助零部件构成了挖掘机的工作装置。动臂、斗杆和铲斗是挖掘机工作装置的3个主体构件，其中动臂和斗杆是由板材焊接而成的箱体结构。除斗齿外，铲斗的其余部分是由板材焊接成的一个可容体。工作装置各构件之间通过油缸联接，油缸与主体构件采用销轴联接，是一个多处可转动结构。

2.2 有限元模型简化

对于有限元模型，合理简化不仅可以提高计算效率，而且可以较为准确地反映挖掘机各部位的受力情况。因而本文不考虑垫板、螺栓孔、油管孔和其他细微结构对工作装置的影响，所有焊接位置均视为等强度连接[5]。

建立的有限元模型如图2所示，销轴以及与其接触的套筒采用实体单元；动臂、斗杆采用板壳单元；为加载方便，去掉了斗齿，并将安装斗齿的铲斗前端建立成实体，铲斗其余结构均采用板壳单元；模型中对油缸进行了分割简化，将油缸两端与销轴联接的部位建成实体，其余部分等效成等截面杆件。

2.3 接触单元

有限元模型经过简化后，建立实体面与实体面、实体面与线以及实体面与点的接触关系。实体面与实体面的接触主要是轴与轴套以及油缸的联接；实体面与线的接触是轴套与壳之间的联接；实体面与点的接触在实际结构中是不存在的，它只是有限元模型计算采取的一种处理手段，将接触单元引入计算，使有限元模型与挖掘机实际使用情况更为接近。

2.4 单元选择及网格划分

在进行单元划分时，针对结构特点，选取不同单元类型建立有限元模型[6]。挖掘机的主体结构采用Shell63四边形板壳单元进行分析，铸件结构、各支撑轴以及与支撑轴套均采用Solid45六面体实体单元，油缸采用Beam188梁单元。不同单元类型之间的接触采用MPC算法，实体与实体之间的面面接触采用Standard类型。固定约束施加在动臂与机架联接的联接轴上，载荷为铲斗前端施加的均布切向力，动臂和动臂油缸尾端的2根支撑轴上施加固定约束，网格由软件自动生成，共建立实体单元82 837个，壳单元18 241个，梁单元80个，接触单元37 973个。

3 计算结果

3.1 结构强度设计

由于挖掘机的作业工况复杂，为了保证结构强度，在设计时对不同工作臂结构的安全系数选择不同。动臂在工作中相对比较平稳，故安全系数相对较低；斗杆属于挖掘的主要承力结构，铲斗属易损件，因此安全系数相对较高。为了保证挖掘机工作臂结构强度的同一性，材料全部采用Q345，根据强度准则公式（1），可以计算出工作臂各结构的设计许用应力，工作臂各结构的安全系数范围和设计许用应力范围见表2。

σ=σbn（1）

式中：σb为材料的强度极限；n为安全系数。

3.2 整体强度分析

在工况1下，挖掘机工作装置整体结构应力分布如图3（a）所示。该工况下，挖掘机工作装置铲斗弯板和侧盖板处焊接位置的应力值较大，达到273.6 MPa，超出了铲斗设计的许用应力值，最大应力出现在铲斗吊耳孔处，达到455. 8 MPa，超出了材料的强度极限，如图3（b）所示；在工况2条件下，工作装置应力分布云图见图4（a），最大应力出现在铲斗弯板处，值为170.0 MPa，其值也超出了铲斗的设计许用应力值，如图4（b）所示；在工况3条件下，最大应力值为117.0 MPa，该应力分布在动臂与机架联接部，整体结构满足强度要求，如图5所示。由以上计算结果可知，该挖掘机在铲斗吊耳处、弯板和侧盖板焊接部位应力均超过了强度要求，应进行结构改进或补强，从而使其满足静强度要求。

3.3 疲劳强度评估

在挖掘机设计中引入疲劳强度评估，对挖掘机危险部位的安全性和可靠性提供重要保障的同时，还可以减轻强度余量过大部件或结构的重量。根据挖掘机实际应用情况看，吊耳与销轴接触的位置以及吊耳焊接根部是挖掘机工作装置较为容易发生破坏的区域，本文针对上述结构中铲斗吊耳、斗杆吊耳、斗杆尾端、动臂吊耳和动臂尾端区域进行疲劳强度评估。

结构的最大应力选取工况1条件下的有限元计算结果，最小应力选取工况1条件下仅有重力作用时的有限元计算结果，由公式（2）可以计算得出平均应力σm和应力幅值σa，工作装置危险结构应力分析结果值见表3。将表3各点绘制在Goodman疲劳极限图中，由图6可知，铲斗吊耳处不能满足疲劳强度，其余各点的应力范围均在Goodman疲劳极限范围内，表明铲斗吊耳结构需要加厚以满足疲劳强度要求。

4 结 语

（1） 采用实体单元、板壳单元和梁单元建立了液压挖掘机工作装置整体有限元模型，模型多处连

图6 Goodman疲劳极限

接部位建立了接触单元，使有限元模型更接近挖掘机的实际情况。

（2） 通过对3种典型挖掘姿态进行结构有限元分析，获得了在3种姿态下整体结构受力分布情况，并计算得出挖掘机工作装置中不满足材料静强度的部位。

（3） 利用Goodman疲劳极限图对挖掘机工作装置的危险部位进行了疲劳强度评估，为结构改进提供了参考依据。

参考文献：

[1] 杜文靖，崔国华，刘小光.液压挖掘机工作装置整体集成有限元分析[J].农业机械学报，2007，38（10）：20- 23.

[2] 崔国华，张艳伟，张英爽.土方机械工作装置整体结构的强度分析方法[J].农业工程学报，2008，24（1）：157- 161.

[3] 丁 华，朱茂桃，赵剡水.液压挖掘机动臂的有限元分析[J].中国公路学报，2003，16（4）：118- 120.

[4] 张仁敬. 基于ANSYS和Pro- E的WY22挖掘机工作装置的分析[D].沈阳：东北大学，2008.

[5] 陈 进，李维波，张石强，等.大型矿用正铲液压挖掘机挖掘阻力试验研究[J].中国机械工程，2008，19（5）： 518- 521.

[6] 郭立新，王守春，郑春歧，等.液压反铲挖掘机工作装置有限元动态分析[J]. 中国机械工程，2000，11（12）：1338- 1340.

[责任编辑：杜卫华]