挖掘机动臂强度分析

WY10B挖掘机动臂强度分析

（一拖（洛阳）工程机械有限公司洛阳 471003）

摘要：以WY10B液压挖掘机为研究对象，对反铲挖掘机工作装置——动臂建立Pro/E实体模型，并用Pro/MECHANICA模块对挖掘机动臂的设计模型在受最大应力的危险工况下进行有限元强度分析。对实体动臂在危险工况下进行实际应力测试，与有限元分析结果进行对比，分析差异，为挖掘机动臂改进提供理论和实际依据。

关键字：液压挖掘机动臂有限元应力

中图分离号：**** 文献标示码：A

1.概述

液压挖掘机是工程机械的主要产品之一,具有较高的技术含量和工作效率，它被广泛应用于建筑、筑路、水利、电力、采矿、石油、天然气管道铺设和军事工程等基本建设之中。动臂是挖掘机工作装置(铲斗、斗杆、动臂) 3 大部件之一[1],是主要承载件。在挖掘过程中,动臂直接或间接承受很大外力。作业环境的状况也对动臂的强度和变形在一定程度上造成很大影响。目前,在国内液压挖掘机设计中,对动臂的应力进行分析的较多,而对理论与实际结合分析较少。本文结合WY10B挖掘机的实际作业工况,对挖掘机动臂在受力最大的典型工况下挖掘时进行强度分析和实际应力测试,为挖掘机动臂设计提供理论和实际依据。

2.计算工况选择

对挖掘机动臂进行强度分析时,分析采用的工况必须是有限元模型受力最大的危险工况[2]。根据挖掘机的连接情况, 使用Pro/ MECHANICAMOTION 模块对其进行动力学分析,利用Pro/MECHANICA MO TION 模块的运动仿真功能,模拟工作装置的运动情况,求出了动臂受力最大的工况。分析发现,危险断面最大应力发生在采用铲斗挖掘的工况下，因此计算位置可按以下条件确定：

1）、动臂位于动臂油缸作用力臂最大处；

2）、斗杆位于斗杆油缸作用力臂最大处；

3）、铲斗位于发挥最大挖掘力位置。

3载荷计算

工作装置各构件通过销连接，在计算工况中不考虑偏载的影响，可以认为其只承受X、Y向的力，整个结构为静定结构，在计算工况中，铲斗缸产生主动力，大腔半径为27.5mm，压力为28MPa，则最大推力为：F G =R G=πr2P=π×0.02752×28×106=66489.5 N

分别求得动臂各铰点的反力如下：动臂各铰点支反力：

以上求出的力都是合力，在实际结构中，铰点处的受力并非集中力，而其附近的应力分布又是我们所关心的，为模拟实际情况，作如下假定：

1）、载荷在X-Y面内在180°范围内按余弦分布；

2）、分布力的方向为沿销孔表面的法向；

3）、载荷在Z向均布；

由假定构造载荷分布函数为： 式中：

F (θ ) = A cos (θ-α) (1) A 为待定常系数，

合力R 已知，分布力F 在P 向的合力应等于R ，即

式中：l 为销孔长度，r 为销孔半径。由上式可求得待定系数

由（3）式计算得到各铰点在计算位置的参数如下：

4 确定约束条件

对于静力分析，必须限制模型的刚体位移[3]，选择动臂与平台的销孔（C 点）进行全约束，由于动臂的外力对C 点的力矩之和为零，限制C 点的Z 向旋转自由度对计算无影响，但实际约束是产生在销孔面上的，而且六面体单元的节点没有旋转刚度，因此施加在销孔面上的约束实际是限制了销孔面上节点在三个方向的自由度。这样会在约束的销孔处产生一附加扭矩，使局部应力增大，但对远端的应力计算没有很大影响。为考察其影响，约束不同的销孔分别进行计算，得到的结果表明除约束点附近的应力值不同外，其余部位的应力大小和分布完全一致，说明这种约束方式是可行的。

5 网格划分

动臂主要结构由厚钢板焊接而成，考虑到板厚较大，而且多处结构需使用体单元，因此决定全部使用三维单元划分，为达到较高的精度，主要使用八节点六面体单元，过渡部位使用五面体单元。为简便起见，划分时把动臂的前端作为整体处理（实际是两层钢板结构，在边缘有焊缝），对于焊缝则不作处理，划分后动臂节点数为41470，单元数为21260；

6 有限元强度分析结果

为了更加直观形象地将动臂的强度分析结果表现出来,通过 Pro/ MECHANICA 分析模块的后处理程序,绘制出动臂强度分析的应力云图如图 5所示。

轴的夹角。

为合力方向与 X

在此计算模型中没有考虑焊缝的影响，在实际情况中，焊缝应能够减小应力集中，即实际结构中的最大应力应低于计算值。

由动臂的应力云图可以看出，动臂大部分部位的应力值较小，而在动臂缸和斗杆缸铰点处有较大的应力集中，应考虑在这些铰点周围采取加强措施。

7 实际应力测试结果

了解知名品牌挖机结构件结构的特点，并对WY10B动臂进行实际工况下的应力测试，确定了动臂主要部位静态强度和动态强度应力值（应力测试仪）。

测试结果：最大应力点为：动态工况，最大应力为：241.6Mpa，结构件材料为：16Mn，其屈服极限为：345 Mpa，该点安全系数为：1.4

8 结果分析

（1）根据有限元分析和实际应力测量，动臂油缸座前端不仅应力集中，而且受力最大，是动臂受力的关键部位。加长此处油缸座耳板前端长度，增加耳板、下封板厚度，不仅可以降低此处应力，而且可以化解应力集中。

（2）动臂油缸座后端虽然应力集中，但是所受应力较小，不足以对动臂造成危险。

（3）动臂上斗杆油缸座耳板后应力集中，同样可以通过加长此处油缸座耳板后端长度，增加耳板厚度来解决，以降低此处应力，化解应力集中。

（4）动臂前叉有限元分析未反应应力集中，但是实际测量数值较大。因为有限元分析忽略了此处焊缝影响，在侧板上有条焊缝，受焊缝影响，此处应力实际值较大。建议前叉板加长，以改善上下封板前焊缝受力状况，提高疲劳强度。

通过使用Pro/ E 对WY10B 挖掘机动臂进行有限元分析,可以看出,有限元分析的主要工作是数据准备和分析运算结果，建立正确的有限元分析模型才能运算出正确的结果。根据对运算结果的分析,不断发现产品设计中存在的问题, 但是为了方便有限元分析，往往忽略了一些因素的影响（如：焊缝），这就造成有些问题在分析时没有被及时发现，如果再能结合实际测量，得到的结果就会更加准确。以上分析结果已在WY10B挖掘机上实施，并取得良好效果，为挖掘机的设计和改进提供了准确的理论和实际依据。

参考文献

1黄东胜,邱斌.现代挖掘机械[M] .北京:人民交通出版社，2003 :6

2于硕 ,张建宗 ,孔喆.液压挖掘机动臂的有限元分析[J ] .工程机械 ,2002 (11) :8 -

10.

3MSC公司. John M. Lee. Linear Static Analysis User's Guide, 1997