基于ANSYS Workbench的液压挖掘机平台结构强度分析

图 4 平台结构有限元模型
基金项目:广西机电职业技术学院科研项目， 项目编号： 2017YKYZ004。 作者简介： 覃祖和 （1986） ， 男， 壮族， 广西象州人， 广西机电职业技术学院， 助教， 工程硕士， 机械结构优化与 CAD/CAM/CAE 技术。
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4 定义平台边界条件 4.1 添加约束 ANSYS Workbench 软件提供了 7 种约束类型，分别为固定约 束 (Fixd Support)、 给 定 位 移 约 束 (Displacement)、 无 摩 擦 约 束 (Frictionless Support)、 圆 柱 面 约 束 (Cylindrical)、 仅 受 压 缩 约 束 (Compression Only Support)、 简单支承约束 (Simply Support)、 固定旋 转约束 (Fixed Rotation)， 每种约束类型都有其应用场合， 在分析时， 应根据分析对象的实际边界条件来选择合适的约束类型。 液压挖掘 机平台下部与回转支承通过高强度螺栓固定连接， 与回转支承一起 做回转运动， 连接处刚度非常大， 所以在平台与回转支承接触面施 加固定约束(Fixed Rotation)。 4.2 施加载荷 液压挖掘机平台除了承受动力装置 、 司机室、 多路阀 、 油箱 、 马 平衡重及覆盖件等自重外， 更主要的还是承受工作装置工作时 达、 产生的挖掘力， 挖掘力通过动臂油缸铰点 、 动臂铰点传递至平台主 梁上， 动臂油缸铰点作用力和动臂铰点作用力的大小和方向根据工 况而定， 前文定义工况时已经计算完毕， 见表 2 所示。 为了获得平台 结构受载的真实情况， 用质量点模拟平台上安装部件的重量， 各部 动臂油缸铰点作用力和动臂铰点作用力用轴 件的重量见表 3 所示， 承载荷(Bearing Load)模拟， 因为铰点是销轴与孔的间隙配合， 受载 时， 销轴圆柱面有一部分与孔表面分离、 一部分与孔表面接触， 施加 轴承载荷可以正确模拟铰孔处受载情况的状态。 表 3 平台上安装部件的重量 （kg）
1 8 6 09 4
1 0 6 48 2
3 建立平台有限元模型 在 pro/e 三维建模软件中建立液压挖掘机平台结构几何模型， 简化对分析结果没有影响的一些小特征， 如小圆孔 、 小倒角等小特 采用 10 节点 3 征， 然后导入 ANSYS Workbench 有限元软件中， 自由度实体单元 solid187 进行网格划分，共划分 169555 个单元、 321973 个节点，平台有限元模型如图 4 所示。 图 1 液压挖掘机平台结构 2 定义平台分析工况 利用有限元对平台进行强度分析时，首先需要定义分析工况， 原则上是使平台主梁产生最大弯矩作为分析工况， 此时工作装置的 位置姿态是唯一确定的， 定义以下两种工况作为平台强度分析的工 况： 工况 1： 最大挖掘深度， 铲斗液压缸发挥最大挖掘力， 如图 2 所 示， 此时动臂油缸长度为 990mm， 斗杆油缸长度为 1050mm， 铲斗油 缸长度为 924mm。 工况 2： 挖掘机稳定系数最小位置 （动臂前后两铰孔在水平线
F
N
1 5 0 64 9
1 4 0 95 0
平台强度分析时， 一般选取强度安全系数 S 为 1.5 ～2， 考虑焊 缝质量对结构强度性能的影响，焊缝处的强度安全系数取 S=2， 则 许用应力[σ]=175MPa， 其余部位的强度安全系数取 S=2， 则许用应力 [σ]=345/2=230MPa。
F
N
图 2 工况 1
图 3 工况 2
经受力分析计算， 在两种工况下， 动臂油缸与平台铰点 、 动臂与 平台铰点的作用力大小及其与水平方向的夹角如表 2 所示。 表 2 两种工况下平台铰点受力大小及水平夹角
1 2
( )
( )
30 1 7 .4 3 1 .5 29
(kg/mm^3) (MPa ) Q 345B 7.85E -6 2 .0 6E5 0.3 (MPa) 345
(MPa ) 5 10-600

铲斗水平） ， 铲斗产生最大挖掘力， 如图 3 所示， 此时Байду номын сангаас上， 斗杆竖直、 斗杆油缸长度为 1392mm， 铲斗油缸长度 动臂油缸长度为 1225mm， 为 1240mm。
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基于 ANSYS Workbench 的液压挖掘机平台结构强度分析
覃祖和 张丽丽 ） （广西机电职业技术学院， 广西 南宁 530007 摘 要:液压挖掘机平台是一个重要的受力结构件， 在挖掘作业时， 平台既要承受上部机体的重量， 又要承受工作装置的挖掘力， 为了 验证所设计的平台结构是否满足强度要求， 采用 ANSYS Workbench 有限元软件对平台结构进行挖掘工况下的强度分析， 分析结果表明， 在挖掘工况下， 挖掘机平台结构满足强度设计要求。 关键词:液压挖掘机； 平台结构； ANSYS Workbench； 强度分析 平台结构是液压挖掘机的一个重要结构件， 由若干的横梁和纵 司机室 、 马达 、 梁焊接而成的箱型结构， 平台上面布置有动力装置 、 多路阀、 覆盖件、 平衡重等， 下部用螺栓与回转支承固定连接， 与回 转支承一起做回转运动。挖掘机挖掘作业时， 平台既要承受上部机 械装置的重量， 又要承受工作装置的挖掘力， 因此， 平台结构应该具 备足够的强度， 在挖掘作业时才能保证平台不被破坏， 同时还必须 具有足够的刚度， 如果刚度不足， 将会导致平台产生过大的变形， 造 成挖掘机过早磨损和损。 由于液压挖掘机平台结构和受力都比较复 杂， 难以用手工对其进行精确的强度计算和校核， 在过去的设计中， 往往采用经验法和类比法进行设计， 难以保证结构强度和刚度是否 满足设计要求， 随着对挖掘机性能提出越来越高的要求， 经验法和 计算机和有限元技术 类比法设计已经不符合现代设计要求。目前， 的不断成熟和发展， 采用有限元技术对挖掘机平台这样复杂的结构 件进行强度分析已经成为很容易解决的问题了。 本文利用 ANSYS Workbench 有限元软件对某公司生产的某型 号液压挖掘机平台结构进行强度分析， 验证平台结构的强度是否满 足设计， 为挖掘机企业设计人员提供参考和借鉴。 1 平台几何模型及材料性能 该平台 某公司生产的某型号液压挖掘机平台结构如图 1 所示， 材料为 Q345B， 其材料力学性能如表 1 所示。 表 1 Q345B 材料力学性能