液压挖掘机参考外文文献

挖掘机吕臂的设计

作者：Luigi Solazzi

机械和工业工程学院工程大学布雷西亚研究,Via Branze 38, 25123 Brescia,(意大利)

摘要

这项工作是研究挖掘机臂和吊杆的发展，以便取代通常所用的材料。这种改变可以减轻挖掘机铲臂各个部件的重量，以便增加挖掘机铲斗的提升能力。所以这对提高挖掘机每小时的生产力很重要。

以此为目的，用数字化研究了一些不同的传统挖掘机的负载情况，其目的是为了估量每个组件的安全因素和可变形性或者说灵活性。这些参数被用来设计一种新的机臂。

已分析的这些挖掘机由三要素和负载条件下的假设组成，以便评估五方面的应力（距转动轴最大和最小距离、液压缸的最大负载感应、挖掘机臂的旋转和抗干扰能力等）。

至于安全因素和可变形性，为了维持原有的值，新的机臂包含尺寸的增加，因此重量跟材料的密度无关。

最终几何机臂的重量是108kg，而钢臂的重量是2050kg，因此，他可能将铲斗的生产力从1立方米提升到1.35立方米。

根据新吕臂的制造周期，价格大约上涨了2500-3000欧元，如果考虑到生产率提高35﹪，这种状况有可能被改观。

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1简介

在这项工作中，已被检查的挖掘机是传统的机器，如图一。它是由三种不同的臂构成，每部分的功率为110千瓦，额定重量为21.500kg。本机主要用于拆除和运送关于民用和工业领域的应用材料。图一显示了本机的主要尺寸。

由于机器每小时的生产率与铲斗的容积有关，这项工作的主要科目是减轻机臂的重量，以便使用与原来相比更大的铲斗。显然，减轻机臂而不涉及到机器的底部（履带车）是为了机器的稳定性不受到危害。

这项工作分成不同的步骤。地一步是评估每个部件的尺寸；第二步涉及到CAD模型下的机器的生产和对满载状况下的负载条件的评估。第三步是估算安全系数和原机的刚度（随着铝合金臂代替合金钢臂，这些值已被用于新的组件设计）。根据经典力学理论设计了机臂断面，从而验证了该方法的CAD模型和有限元分析手段。下一步涉及到引脚的松紧和在重量减轻的情况下选择新的铲斗。

最后一步涉及经济方面的减少。

2负载条件

已经记录了五种不同的负载条件，为了确定挖掘机臂每个部分的应力状态。

第一负载条件涉及距离转轴最大和最小距离来启动铲斗的平衡问题。铲斗在水平高度不变的情况下的位置变化（图2）。这个运算的主要参数：总长度=7000mm，反向运动的负荷=13KN，时间=4s。

第二和第三负载条件是相似的。第二点涉及到距旋转轴最小距离的最大负载的提升运算，图.3a（总长度=4300mm，时间=7s，力=20KN）。第三负载条件涉及到距旋转轴最大距离的提升运算，图.3b（总长度=4150mm，时间=4s，力=20KN）。

第四负载条件是一种常用的运算，这个运算涉及到机臂轴的正交方向和轴向。此负载条

件更重要的是可以评估组件的抗扭性能。在此基础上的最大液压力变距，假设到铲斗的距离是4米，最大正交力20KN（图4）。

最后的负载条件是一个特殊的负载条件。在这种情况下，施力于挖掘机臂的每个部件的力是最大的力，都是由液压缸的张紧和压缩产生的（起重缸压力=390KN 拉力=200KN 定位缸压力=560KN 拉力=350KN 渗透缸压力=455KN 拉力=210KN 铲斗缸压力=330KN 拉力=180KN）

图.5.挖掘机臂和各部分组件的名称和图示

3关于原有合金钢机械性能的评价

进行上述的操作后，每个负载条件已通过一种软件程序实现，以获得挖掘机臂每个部分的力（包括惯性力）。这种软件叫Mecad（它是由布雷西亚大学的工程机械和工业部所开发）。这个软件可以提供挖掘机臂在任何点（在任何时间的运动）的运动学和动力学的信息。

例如图6显示的第一要素的力。

下一步涉及对每个元件的有限元分析，特别是对机臂的应力状态（和安全系数）和可变形性。第一次的结果表明，相同成分在局部区域了压力值很高。例如，在该板块的交接地带和液压缸的主要结构。这些观测可以通过局部的新设计提高组件，例如通过减少压力系数。图7,.显示的是应力状态。

这种优化后的每个组件的安全系数，与屈服材料相比，大约是2.5倍。用来做合金钢机臂的材料是：S355 JO EN 10025.

4.元件的初步设计标准

用不同材料做成的新的机臂被研究，是为了得到相对于原来几何状况的安全系数等因素。为了这个目的，对每个组件都进行了研究，特别是运用不同的方法从理论上进行了研究了受压状况（见图8）。

第一步是利用两个相同的安全系数，传统的（合金钢）和新的（铝合金）。[1-5].

4.1. 轴向力

在这种情况下，轴向应力是（1），面板的厚度和高度之间的关系是：....（2）..... 如果有扭曲现象，临界应力为：...（3）.....D代表面板的刚度，在这种情况下，面板的几何尺寸之间的关系是：.....（4）.....，如果只有平面的厚度可以改变，表达式为：...（5）...，

4.2. 弯矩

这一动态的应力是：....（6）....这样的厚度之间的关系是：....（7）....扭曲情况下，临界应力为：....（8）....

其中，α是最大拉应力与最大压应力的比例，在这种情况下，面板的几何尺寸与上述负载条件下的情况相同。

5. 决定机臂的尺寸

基于合金钢板和铝合金板之间的关系，对于机臂每个部件，已经开发出一种新的截面，这个截面的机臂成分已被数值模拟化。随之而来的步骤是进行有限元分析，（图9）以验证安全系数和组件弹性方面的原始数据。最后这一步操作反复实行，直到目标实现为止。最终，组件的重量减少了50％左右。

机臂选择新的铝合金材料6061 T6.这种选择采用的标准是机械性能（尤其是屈服应力）和成本。表1.显示了合金钢和铝合金的力学性能。