关于470型挖掘机动力学分析与结构优化探究

曹又可 包西余

山重建机有限公司

关于470型挖掘机动力学分析与结构优化探究

曹又可 包西余

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松土器作为挖掘机主要工作装置之一，越来越广泛使用。但在工程应用中，很多工况下，挖掘机松土器无法满足工作需求。为了更好的研究松土器在工作过程中运动规律及受力特性，本文对470型挖掘机松土器进行了动力学及结构强度分析。

挖掘机；松土器；结构优化

前言

松土器是挖掘机至关重要的组成部分，对松土器进行动力学研究有利于我们对挖掘机有更多的了解。将三维模型导入ANSYSWorkbench软件中，添加质量属性参数和施加约束，建立虚拟样机的仿真模型并进行各种机械动力学分析，得出松土器各工作部件在工作过程中的受力特性及输出载荷，为进一步的分析做好准备。同时，根据松土器工作过程中的三种不同工况，对松土器进行结构强度分析，找出松土器在工作过程中受力较大的部位。最后，根据强度分析结果对松土器进行结构优化。

1 松土器动力学仿真分析

在进行动力学仿真时，设置挖掘机各个部件为刚体，则在分析过程中不存在变形问题，可以直接得出各个零部件在运动过程中的输出载荷及受力状态。

在分析过程中，首先确定各连杆，定义大臂与机架之间为固定约束，其余运动副设置为体与体之间的旋转副，同时，定义液压缸与液压杆之间为移动副。并对液压缸1和液压缸2的移动副定义驱动函数，该函数为时间-位移函数，单位分别为s和m。

在前处理过程中，针对三种不同工况对松土器齿尖进行了载荷的施加，见表1。由于松土器悬挂端的左右为对称布置，因此只求解一侧连杆及曲柄的受力状态即可。在后处理中，分别求解以下几处运动副受力状态：连杆与斗杆形成的旋转副、连杆与松土器形成的旋转副、连杆与曲柄形成的旋转副及松土器与曲柄形成的旋转副。

表1 松土器齿尖受力

图1所示，为连杆与斗杆连接处的输出载荷曲线，由图可知，在松土器工作过程中，此处输出载荷呈上升趋势，其最大输出载荷出现在强制提升工况下，最大输出载荷为3.9072×105。

为连杆与曲柄连接处的输出载荷曲线，由图可知，连杆与曲柄连接处的输出载荷大小及变化规律与连杆与斗杆连接处的输出载荷完全相同。主要由于，在工作过程中，两连接处属于作用与反作用力的关系，因此，会出现这种情况。

(1)为曲柄与松土器连接处的输出载荷曲线，曲柄与松土器连接处的输出载荷整体呈上升趋势，最大输出载荷出现在强制提升工况，最大输出载荷为1.1434×106kN。

(2)在松土器工作过程中，斗杆与松土器连接处的输出载荷呈上升趋势，在强制提升阶段，载荷值增加较为明显。最大输出载荷为1.3937×106kN

综上所述，利用ANSYSWorkbench对470型挖掘机松土器进行了动力学分析，得出了各个铰链连接处的输出载荷。通过分析可以发现，各铰链连接处的最大输出载荷均出现在强制提升阶段。

图1 连杆与斗杆连接处的输出载荷曲线

2 松土器结构强度分析

松土器在水平入土阶段受力小，因此只对水平入土和强制提升工况进行强度分析，在UG中将松土器转换为.x_t格式，导入到ANSYSWork-bench。在ANSYSWorkbench中对其进行前处理，为方便网格的划分并减小计算量，对此模型进行一些简单处理，删除如倒角一类的小平面体。再对此模型进行网格划分，定义网格大小为0.003m，网格划分的单元格数量为101293个，节点个数为175393个。

2.1 水平勾土阶段强度分析

水平勾土阶段，松土器齿尖受到的水平方向的阻力为416.304kN，竖直方向的阻力为204.30kN。对齿尖前端面处施加X向的水平载荷，齿尖下端面施加Y向的竖直载荷。对其进行求解，得出应力及应变情况如下。

水平勾土阶段松土器最大变形区在齿尖处，其最大变形量为1.51mm由图11可知，最大应力点出现在铰链连接板与松土齿连接处。最大应力值为σmax=196.46MPa。结构钢的屈服强度σs=250MPa，取安全系数为1.2，对于松土器有：

综上可知，松土器在水平勾土阶段的安全系数为1.27，虽然略大于结构钢的屈服强度，但与结构钢的屈服强度非常接近。为保证松土器在工作中的需求，应加强这两处的结构强度。

2.2 强制提升阶段强度分析

强制提升阶段，松土器齿尖受到的水平方向的阻力为313.49kN，竖直方向的阻力为542.986kN。对齿尖前端面处施加Y向的竖直载荷，齿尖下端面施加X向的水平载荷。对其进行求解，得出应力及应变情况如下。水平勾土阶段松土器最大变形区在齿尖处，其最大变形量为4.75mm最大应力点出现在铰链连接板与松土齿连接处。最大应力值为σmax=206.6MPa。而结构钢的屈服强度σs为250MPa，取安全系数为1.2，对于松土器有：

综上可知，松土器在水平勾土阶段的安全系数为1.21，基本等于结构钢的屈服强度，已无法保证松土器正常工作。因此，应加强这两处的结构强度，以更好的满足工作要求。

3 松土器结构优化

根据结构强度分析，找出了松土器在工作过程中受力和变形较大的部位。为使松土器在松土过程中更有效地工作，在进行有限元分析的基础上对松土器的结构进行优化设计。

3.1 铰链连接板结构优化

由前节分析可知，松土器在三种工况下工作时，松土齿与底座连接处应力集中现象较为明显，是容易产生变形和断裂的部位。为减小应力集中，增强松土器的结构强度，增加底座厚度，由原来的60mm增加为65mm。

3.2 松土器齿尖结构优化

在前节分析中可知，随着松土器在松土过程中阻力的增加，松土器齿尖处的变形量逐渐增大。尤其在强制提升阶段，在松土器齿尖安装标准套的连接孔处，其应力值已超出材料的屈服极限。结构无法满足工作强度要求，现对松土器松土齿进行以下几点改进：

(a)增加松土器松土齿的内外圆弧半径，整体增大了松土齿的宽度，可以有效增强松土器在松土过程中的承受力。

(b)改变松土器齿尖标准连接孔的位置，增加连接孔与松土齿前端面的距离，保证连接孔与前端间的厚度满足松土器的工作强度要求。

优化前后结构如图 2 所示，优化前圆弧1半径为1194mm，优化后半径为1200mm。优化前圆弧2半径为1053mm，优化后圆弧2半径1063mm。松土器齿尖标准套上安装孔由图a位置后移30mm，增加其与松土齿前端面的距离。对优化后的结构，在水平勾土和强制提升工况做有限元分析计算，得到其安全系数分别提升到1.72和 1.50。改进后的结构满足结构强度要求，验证了结构优化的合理性。

图2 松土齿结构优化

4 对470型挖掘机动力学总结分析

(1)对现有470型挖掘机进行动力学分析，得出松土器各铰连接部位及工作部件在工作过程中的输出载荷。得到了各曲柄、连杆及斗杆的受力特性。

(2)对松土器结构强度进行分析，找出了松土器在工作过程中受力及变形较大的部位。并根据分析结果对松土器结构进行了优化，有效增强了松土器结构强度。

5 结语

综上所述，470型挖掘机动力学分析是一项非常繁杂且重要的工作，其中涉及到多个技术领域，需要研究人员运用科学的方法进行分析，唯有如此才能真正做到挖掘机松土器的优化。

[1]时培成，王幼民，王立涛，等.挖掘机液压——机械复合系统建模与仿真研究[J].机械传动，2007，31(3)：26－29.

[2]郑建荣.虚拟样机技术入门与提高[M].北京：机械工业出版社，2012.

上接(第1 5 6页)表明，模块设计主要关注以下四个方面：功能分解，明确每个模块具备的功能；结构载体，不仅表现在对于结构形式的选取上，还包括模块之间连接结构的处理上；协调接口，即不同结构单元如何衔接；整合，把不同的模块整合成一个完整的建筑。

3.2 运用价值工程，优化结构体系的经济性

结构功能的适用性，如根据运动项目确定场地的最小尺度和所需要的空间高度，根据座席数和视线要求等定出建筑物的跨度、长度和高度等；结构受力的合理性，指在各种荷载的作用下，有足够的承载能力，保证结构在设计年限内正常使用；结构的环境效应，包括使用环保材料，节能设计，施工对环境的影响等；结构的美学效应，包括建筑造型，与环境的协调性等；可建造性，指工艺的复杂程度和构件的标准化程度等。影响结构体系的成本因素包括结构的建造成本和维护成本。通过计算不同结构体系的功能系数和成本系数，可以得出各结构体系的价值系数(=功能系数/成本系数)，选择价值系数大于1的方案。

3.4 引入专业的投资咨询机构，保证项目的投资控制

通过调查服务区域内的体育设施的供给和需求，明确场馆的定位，区分场馆的临时空间和固定空间；参照相关技术规范，确定项目的建设规模及标准；参考同类型项目编制建设期投资估算，二次改造及拆除成本、运营期的收入及维护费用，制定合理的全寿命周期投资控制目标；动态监管由设计变更引发的寿命周期投资变动情况，并同时将建设期投资、改造成本、运营成本变动幅度告知项目业主和设计单位；制定临时空间资产处置方案及固定空间运营成本控制措施等。

总而言之，通常情况下，建筑过程中包括四个部分：建筑策划、建筑设计、建筑施工以及建筑投入使用，经过多年的探索和研究，建筑策划与建筑设计之间的关系在这四个中是最为模糊的，因此很多人都无法正确的区分建筑策划与建筑设计之间的区别和联系，将二者混在一起。就目前而言，我国的建筑策划与建筑设计之间的关系较为微妙，既不是包含也不是完全相离的，是相互影响相互交错的关系，这就要求我们在以后的实际工作中必须对其实现进一步研究探讨。

参考文献：

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[2]刘存发.建筑策划在建筑设计中的作用[J].城市建筑，2013，24：31.

[3]黄志翔.建筑策划在建筑设计中的作用[J].科技资讯，2011，21：65+67.

[4]司徒文侠.建筑策划在建筑设计中的重要性[J].建材与装饰(下旬刊)，2008，03：3-4.

[5]谢梦婕.建筑策划在建筑设计过程中的意义和作用[J].企业技术开发，2009，06：6+10.

[6]苏 实.从建筑策划的空间预测与评价到空间构想的系统方法研究[D].清华大学，2011.