考虑作业动态特性的挖掘机工装结构强度分析

黄鸣辉,黄冠雅,孙中林,邱清盈,王 辉

(1.国机重工(常州)挖掘机有限公司,江苏 常州 213136; 2.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室,杭州 310027)

考虑作业动态特性的挖掘机工装结构强度分析

黄鸣辉1,黄冠雅2,孙中林1,邱清盈2,王 辉1

(1.国机重工(常州)挖掘机有限公司,江苏 常州 213136; 2.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室,杭州 310027)

为更准确地分析挖掘机工作装置结构动态强度,对挖掘过程中由结构变形、转动惯性、复合动作挖掘等产生的作业动态特性进行了分析,建立了综合考虑这些动态特性的工作装置刚柔耦合多体动力学模型.利用ADAMS和ANSYS对动臂和斗杆进行了结构强度的瞬态分析,应力分析结果与利用应变花进行实际测试,应力值之间的误差小于10%.说明综合考虑作业动态特性的瞬态分析结果,能够反映实际挖掘过程中的应力变化情况,从而为工作装置的结构设计和优化提供有效的参考依据.

瞬态分析; 结构强度; 工作装置; 液压挖掘机

挖掘机长期在严酷的环境条件下连续工作,因此，挖掘机工作装置的结构强度一直是用户最为关心的性能指标之一.目前工作装置强度分析一般参照国标规定的“液压挖掘机结构强度试验方法”,选取若干典型工况进行静态有限元强度分析[1].为更合理地确定计算载荷,周渠梁[2]运用图谱叠加法分析挖掘法切阻力比，以确定最大挖掘力进行强度分析;魏振凯等[3]提出了一种以工作装置各铰点载荷最大来确定危险工况的策略;周宏兵等[4]基于ADAMS仿真技术确定铰点受力,进行多工况静强度分析.为避免将工作装置各构件单独分析时因简化而造成误差,杜文靖等[5]对工作装置进行整体建模和静强度分析.为获得工作装置在整个挖掘过程中的强度变化情况,周全等[6]采用离散元技术对工作装置强度进行了动态分析;张卫国等[7]以实际测试得到的挖掘过程油缸压力为依据,对工作装置进行动态强度和疲劳分析;魏攀科[8]通过建立挖掘土壤模型,对工作装置进行了瞬态动力学分析.

本文综合考虑挖掘机在挖掘过程中，存在的工作装置刚柔耦合产生的非线性动力学效应、转动角速度变化产生的惯性以及复合挖掘的载荷不确定性等动态特性,以便在工作装置结构强度分析时能够更全面准确地反映实际情况.

1 作业过程动态特性分析

液压挖掘机的动臂和斗杆为箱型结构,它们的长度都远大于其截面尺寸,构件的刚度较小,在挖掘力载荷作用下会产生较大的变形,从而对工作装置的受力产生影响.

惯性对作业过程的影响源自于动臂、斗杆和铲斗在挖掘时转动角速度动态变化.虽然3组油缸可视为匀速移动,但平台-动臂、动臂-斗杆、斗杆-铲斗之间的转动角速度是非匀速的,如图1所示.由于动臂和斗杆的质量较大,由此产生的惯性力不容忽视.

图1 作业过程中的转动角速度Fig.1 Rotating angular velocity during operation process

实际的挖掘过程是由3组油缸的复合动作完成.这时铲斗与土壤的作用力,由于同时存在斗杆挖掘和铲斗挖掘,比传统理论分析时的单油缸动作要复杂,较难确定实际挖掘力方向和大小.

因此，为了更合理准确地分析工作装置的结构强度,应采用柔性多体动力学建模方法,参照挖掘机实际挖掘过程进行瞬态动力学分析.

2 工作装置瞬态动力学分析

以企业中20 t级挖掘机为例,在动力学仿真软件ADAMS中,建立了工作装置的刚柔耦合多体模型,如图2所示.在建模时将动臂和斗杆处理为柔性体,而铲斗、连杆等零部件仍为刚体,这样在一定程度上可减小复杂度,缩短仿真时间.

仿真时,在铲斗斗缘施加由土壤挖掘分析模型计算得到的土壤阻力[9],采用复合动作挖掘方式.具体从开挖位置开始的动作过程为:0～1 s动臂缸匀速收缩;0～6 s斗杆缸匀速伸出;1～6 s铲斗缸匀速伸出;6 s之后为回转卸土.这样在挖掘仿真时0～1 s动臂和斗杆复合动作,1～6 s斗杆和铲斗复合动作.

图2 挖掘机工作装置刚柔耦合模型Fig.2 Flexible multi-body model of excavator working device

仿真得到的动臂和斗杆各铰点力如图3所示,其中铰点C,B,D,F分别为动臂-上车平台(C)、动臂-动臂油缸(B)、动臂-斗杆油缸(D)、动臂-斗杆(F)之间的铰接孔,铰点E,G,N,Q分别为斗杆-斗杆油缸(E)、斗杆-铲斗油缸(G)、斗杆-连杆(N)、斗杆-铲斗(Q)之间的铰接孔.

图3 工作装置多体动力学仿真结果Fig.3 Multi-body dynamics simulation results of working device

根据上述铰点力,结合ANSYS对动臂和斗杆进行瞬态动力学分析,得到应力结果如图4所示.其中动臂应力较大的区域主要分布在铰点C和铰点B附近,在t=1.9 s时刻应力值达到最大为163.88 MPa;斗杆应力较大的区域主要分布在铰点G的耳板内侧和铰点F附近,在t=4.8 s时刻应力值达到最大为157.68 MPa.

图4 工作装置挖掘过程瞬态动力学分析结果Fig.4 Transient dynamics analysis results of working device during mining process

3 测试比较

为与实际工作时的应力进行对比,作者采用直角应变花在动臂和斗杆上分别布置了8个和6个测点,对其进行了应力实测如图5所示.将实测应力与瞬态分析结果进行了对比,如图6所示为测点4和14的对比,其中测点4为斗杆侧板靠近铰点F附近,测点14为动臂侧板靠近铰点C附近.

通过对比,整体上可以看到:挖掘过程中各测点的仿真值与测试值的变化趋势基本一致,误差值在10%以内.由此可以说明:综合考虑作业动态特性的瞬态分析结果，能够反映实际挖掘过程中的应力变化情况.

图5 工作装置应力实测Fig.5 Stress test of working device

图6 工作装置应力测试值与仿真值对比Fig.6 Stress test values compared with the simulation values of working device

4 结语

基于多体动力学理论,综合考虑挖掘过程中结构刚柔耦合、惯性和复合挖掘等动态特性,利用ADAMS和ANSYS对动臂和斗杆进行了瞬态动力学分析,获得的强度结果与实际测试结果具有较好的一致性.因此，可以较准确地体现实际挖掘过程中的应力变化情况,为工作装置的结构设计和优化提供有效的参考依据.

除了本文所考虑的作业动态特性之外,挖掘机在实际作业过程中，还受其他一些动态因素影响,例如液压系统的冲击和振动,因此，后续可进一步深入研究,更全面地考虑各种动态因素,以使理论分析结果与实际情况更加相符,从而对实际设计指导更有参考价值.

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Structure strength analysis of working device of hydraulic excavator considering dynamic working characteristics

HUANGMinhui1,HUANGGuanya2,SUNZhonglin1,QIUQingying2,WANGHui1

(1.SINOMACH-HI(Changzhou)Excavator Co.,Ltd.,Changzhou 213136,Jiangsu,China; 2.State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

The dynamic working characteristics caused by the structural deformation,rotation inertia and compound action of a hydraulic excavator during its excavating process are analyzed to obtain a more accurate analysis of the working device’s structure dynamic strength.A rigid-flexible coupling multi-body dynamic model of the working device is established to consider these dynamic characteristics comprehensively.The structure stress of the boom and arm is obtained through the transient analysis in ADAMS and ANSYS,and the stress error is less than 10% compared with the actual testing value obtained with strain rosette.Therefore the transient analysis result that considers the dynamic working characteristics can reflect the actual stress change of the working device during the excavating process,thereby provide the effective references to the structural design and optimization of the working device.

transient analysis; structure strength; working device; hydraulic excavator

国家科技支撑计划资助项目(2013BAF07B04)

黄鸣辉(1981—),男,高级工程师.E-mail:hmh@sinomach-hi.com

TU 621

A

1672-5581(2017)05-0426-04