张峰 王卫星 杨娟 程冠
天津移山工程机械有限公司 天津 300462
摘要：基于工作土方机械设备的结构特征，结合有限元方法计算结果提高分析的准确性的问题，以一个小型挖掘机工作装置结构为研究对象，整体结构使用有限元分析方法，提出了工作装置动臂，铲斗，斗杆，油缸和连接销轴系统组成进行整体建模、加载和有限元强度分析，并结合实际的产品开发进行验证。结果表明，该方法对土方机械及同类产品的设计和分析具有一定的指导意义，为解决类似问题提供了一种可行的分析方法。
关键词：土方机械；工作装置；整体机构；有限元；强度分析
1前言
在工程土工的机械使用中，其工作效率在很大程度上取决于工作装置，特别是设备的结构强度直接影响到土方机械的可靠性和性能的使用。土方机械，如挖掘机、装载机等，其工作装置通常由动臂、连杆、斗杆、斗链机构等组成。有限元法在土方机械结构分析中得到了广泛的应用。目前，大多数研究只进行有限元分析的连接销轴套筒的铰链点的工作设备，并且经常忽视的联系和协调问题的影响轴和轴套的计算结果。
2工作装置有限元模型及计算工况
2.1工作装置整体结构有限元模型的建立
小型液压挖掘机的工作装置主要由活动臂、斗杆、桶和油缸组成。利用UG软件，建立了框架的三维几何模型、动臂、斗杆、桶形和连接盖。在建模过程中，去掉了螺杆孔，不影响计算结果的倒角，消除了运输吊耳等因素。在实际模型中，对焊缝进行连续处理，将材料作为母材处理。利用有限元方法对有限元软件ANSYS有限元模型进行了有限元分析。由于移动臂、臂等设备的各个部分主要由薄板焊接构成，几何模型非常复杂，所以在有限元模型的划分中，Solid45单元类型选择三维实体单元。油缸是由Link8单元建模的[1]。最后的工作装置由活动臂、斗杆和其他部件组装而成，在活动臂与斗杆之间、铲斗之间通过连接套筒和销轴连接。利用接触针表面的三维接触元件和连接套管的表面，建立了整体工作装置的更精确的有限元模型。工作装置整体结构的有限元模型。
2.2计算工况的确定
挖掘机的挖掘工况由动臂油缸、斗杆油缸，铲斗油缸的变化可以组合成成千上万的工作条件，因此如何确定工作装置，在外载荷作用下的一种或几种最不利条件下，针对强度计算的工作条件，强度的准确是非常重要的。根据“gb9141-1988液压挖掘机结构强度试验方法”，确定后锄式液压挖掘机的工作装置分为4个计算条件：
可移动臂的液压缸完全减少，斗杆的液压缸为最大，铲尖位于连接铲杆与斗杆的延长线上，以及动臂铰节点。在这种情况下，荷载分为重力、切向力和侧向力。
动作臂和斗杆液压缸是最大的，铲杆的尖端在连接铲和杆的延长线上，以及动臂铰节点。在这种工作条件下，荷载分为重力和切向力。
动臂和斗杆液压缸最大，斗式液压缸工作与最大力量力臂工作。在这种工作条件下，荷载分为重力和切向力。
可动臂的液压缸完全减少，桶的尖端位于连接桶与斗杆和动臂铰点的延长线上，直线位于铅垂线上。在这种情况下，荷载分为重力、切向力和侧向力。如图1所示，整体结构有限元模型的工作装置，通过各部件之间的旋转角度和关节结构的调整，有限元模型可以获得不同的姿态条件，分析四种情况的强度进行研究。
3工作装置整体结构有限元强度分析
3.1工作装置整体结构强度分析
对于不同的计算条件，强度分析结果根据工作装置的不同负荷而不同。在工作条件下，工作装置受切向力、侧向力和重力载荷的影响。其中，切向力的方向垂直于铲杆和可动臂铰点，其作用于侧齿的尖端。侧向力的方向垂直于工作装置的平面，作用在齿尖上，大小由旋转机构的制动力矩和反倾力矩决定。图2为剪切力、侧向力和重力荷载组合时工作装置整体结构的应力云图。
实验结果如下：
工作装置的最大应力值只有当切向力和其自身的重力荷载作用于连接盖上时，才达到150MPa，连接盖的根和钢筋离连接罩的侧距离较远。
当工作装置只有侧向力和自身的重力载荷时，最大应力位置出现在铲杆的连接处。由于工作条件的限制，工作装置仅能承受扭矩，所以在工作单元的扭转截面模量最小[2]。
3.2工作装置铰点轴套配合的接触分析
为了分析土方机械整体结构的强度，需要考虑铰节点处的销轴和轴套的协调问题。销轴与轴套之间的间隙过大，冲击载荷大，严重影响销轴和结构部件的使用寿命。销轴和轴套配合间隙太小，难以形成稳定的润滑膜，所以在保证稳定的润滑膜的基础上，销轴与轴套之间的间隙应尽可能小。因此，本文从工作单位作为一个整体结构模型的几何模型当地销轴和轴套，有限元网格划分为接触非线性分析，销轴和轴套之间的相互作用力和变形，为了确定合理的铰接节点结构设计提供理论依据。
4工作装置整体结构强度分析结果
4.1强度分析结果
在大多数工况下，工作装置的危险截面主要位于斗杆和可动臂关节、可动臂的上臂、连接盖和连接罩侧的钢筋。这三个位置的应力值很大，是工作设备中最薄弱的环节。
扭转截面模量的最小位置是扭转荷载作用下工作装置中最薄弱的一环。因此，在扭转条件下，动臂的小端和斗杆的小端都非常强[3]。在切向荷载作用下，铲斗杆和动臂的受力与桶底端板的应力非常高，是工作装置的薄弱环节。
4.2改进设计方案
根据结果的强度分析，对小型挖掘机工作装置的所有部件进行适当改进，主要包括：原结构内的可动臂及焊接加固板以及焊缝补强板；在长斗杆的基础上，将铲斗杆加长，插入侧板，加大斗杆和可动臂连接的加强板，使斗杆和可动臂的销轴加厚。改进后的设备整体结构强度分析，结果表明，改进后的设备刚度和强度的较弱部分增加，应力和应变分布更为合理，达到了改进设计的目的。
5结束语
本文结合某小型挖掘机在产品开发过程中出现的问题，利用整体结构有限元分析结果，对各部件的小型挖掘机工作装置进行了相应的改进。实例表明，本文提出的方法对提高土方机械设计水平具有实际指导意义。
参考文献
[1]李欣欣，杨志刚，李建桥，等.农机链链板与套筒最优过盈量有限元分析及试验研究[J].农业工程学报，2003，19（4）：126－128.
[2]尉立肖，刘才山.圆柱铰间隙运动学分析及动力学仿真[J].北京大学学报（自然科学版），2005，41（5）：679－687.
[3]杨为，王家序，秦大同.液压挖掘机工作装置固有频率的试验灵敏度[J]农业机械学报，2006，37（2）：21－24.
论文作者:张峰,王卫星,杨娟,程冠
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/29
标签：工作论文; 装置论文; 有限元论文; 结构论文; 强度论文; 轴套论文; 土方论文; 《防护工程》2018年第10期论文;