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摘要：以某款国产反铲液压挖掘机为例，通过对该挖掘机实况挖掘性能的测试，探索经验危险工况和实测危险工况的区别；在测试危险工况下，利用有限元分析方法，揭示工作装置内部加强板合理布置的方案。以斗杆为研究对象，结果表明：该机型斗杆的测试危险工况与经验危险工况偏差较大；加强板布置在62.5o时，斗杆整体强度最高。
关键词：挖掘机；斗杆；危险工况；结构优化；有限元
引言
反铲液压挖掘机在采矿、建筑和土方作业中发挥着极为重要的作用。由于反铲液压挖掘机作业环境特别复杂恶劣，工作对象和工作方式多样，反铲挖掘机工作装置的强度和结构设计成为设计人员及用户最关心的问题之一，大量的科研工作者对该问题进行了深入研究。目前国内主机厂众多，同吨位机型在工作装置外观设计上差别不大，但众多厂家对于工作装置内部加强板的布置却很难形成一致意见。同一主机厂可能对不同吨位的挖机工作装置是否都布置加强板存在疑问；不同主机厂可能对同一吨位的挖机工作装置是否都布置加强板及布置位置存在疑问。文中提出了对某国产反铲液压挖掘机进行性能测试验证经验危险工况普适性，并以正确的危险工况作为边界条件，用有限元法对现有工作装置的加强板进行合理化布置。
1挖掘机斗杆结构类型分析
挖掘机种类众多，按斗容大小可分为小型、中型和大型;按工作装置类型可分为反铲、正铲、起重和抓斗。为满足各种作业需求，同一种工作装置的挖掘机斗杆结构也有多种基本结构类型。根据斗杆结构总体类型的不同、结构长度的不同、结构长度是否可调节等分类标志，对斗杆结构基本类型进行分类，归纳出如图1所示的斗杆结构基本类型分类网络图。如图1所示，斗杆结构基本类型的分类标志有:结构总体类型、结构组成方式、结构连接方式、油缸布置方式、结构形状类型和耳板结构类型。每种分类标志均有多个不同特征项，对每种分类标志进行特征项的选择与组合，便可得到多种不同基本类型的斗杆结构。例如，可选择一种基本类型为普通型－整体式－整体无连接式－油缸悬挂式－直型－耳板分离式的斗杆结构。
图1 斗杆结构基本类型分类网络图
1.1斗杆结构基本类型分类编码为了便于描述和识别不同基本类型的斗杆结构，根据图1所示的斗杆结构基本类型分类网络图，建立挖掘机斗杆结构基本类型分类编码系统，其分类编码对照表如表1所示。
根据表1对斗杆结构基本类型的每种分类标志进行编码，其编码串是由7个不同码位组成。第1个码位为构件类型码，斗杆的构件类型码为“S”;第2～7个码位为不同分类标志码①～⑥，此6个分类标志码的每个码位均可取不同码值，每个码值均代表着特定的特性项。例如:斗杆结构基本类型码为“S110111”，则表示该斗杆结构的基本类型为“普通型－整体式－整体无连接－油缸悬挂式－直型－耳板分离式”。
表1 挖掘机斗杆结构基本类型分类编码对照表
在表2中，“S110101”斗杆结构具有8项基本结构特征、3项固有局部结构特征和3项可选局部结构特征。这三类结构特征的每个特征项均具有多个不同特征方案可供选择，可构建出如图2所示的斗杆结构特征编码系统。在图2中，基本结构特征项为A01～A08;固有局部结构特征项为B01～B03;而可选局部特征项为C01～C03。此外，每一类结构特征项均有多种特征方案可供选择，如:基本结构特征项A01的可选特征方案有A01－01～A01－a1，总共有a1个特征方案。综上分析可知，斗杆结构方案的确定可分为两个阶段，一是斗杆结构基本类型的确定，称之为斗杆结构方案初步设计阶段;二是斗杆结构局部结构特征的确定，即斗杆结构方案详细设计阶段。
2危险工况对应边界条件计算
针对该测试机型，选用测试危险工况进行仿真分析。由于动臂和斗杆的研究问题类似，两者的研究方法一致，文中只选取斗杆进行探讨。利用反铲液压挖掘机性能分析通用软件，导入测试反铲液压挖掘机的机构参数文件，计算斗杆危险工况的铰点力，如图3所示。为了使斗杆达到实际可能出现的最危险状态，需要把偏载和侧向力考虑在内；实测油缸推力未达到额定工作压力的按额定工作压力计算，超过额定工作压力的按实测压力计算。斗杆随体坐标系中各铰点的铰点力如表1所示。
图3 反铲液压挖掘机性能分析通用软件
3斗杆加强板结构优化设计
经过实际调查发现，斗杆内部加强板的布置遵循一定的规律。根据吨位，微型（0～6t）和小型挖掘机（6～12t）斗杆由于直接冲压成型或者空间限制，一般不布置加强板；中型挖掘机（12～19t）和大型挖掘机（20t以上）一般布置一块或者两块加强板。并且，对于中型挖掘机，原装挖掘机通常只配备标准斗杆，即没有加强板的斗杆；而加强型斗杆可以作为备件进行选购。文中针对加强型斗杆的加强板布置进行合理化设计。利用有限元方法对挖掘机工作装置进行结构分析。在前处理中，选用SOLID187（10节点四面体单元，带中间节点）单元，参数化斗杆模型自动划分结束后进行网格优化。斗杆整体主要由两种材料组成。主体板材是Q345，斗杆支撑部件的材料是ZG35Mn。为了简化模型，缩减计算时间，可以通过给主体板材和支撑赋值同一种材料属性。主体板材的材料属性如表3所示。
表1 斗杆各铰点在随体坐标系下的铰点力
有限元分析的准确性很大程度上取决于施加边界条件是否接近实际情况[6]。因此，根据弹性力学的相关理论对销孔内表面的载荷简化为余弦分布的面载荷。按照经验设计，工字箱型断面斗杆结构中，根部铰点插入动臂叉形开口中的断面受力最大，因此为断面最高处[7]，即在斗杆随体坐标系中74°位置，并在根部铰点加焊辐射状的加强板与顶板铲斗缸根铰处相连。为了寻找加强板的最佳安装位置，用枚举法比较不同设计方案中斗杆的性能参数，加强板在随体坐标系中（30°,120°）范围内变化。
结语
本研究利用结构特征编码与结构设计知识引导相结合的方式，构建了斗杆结构方案智能化设计模块，替代了传统低效的逐个结构建模方式，有效实现了斗杆结构优化过程中结构模型的智能化、批量化、可视化高效建模，是面向系列化设计需求的，可适用于不同机型同结构类型的挖掘机斗杆结构。以中小型挖掘机耳板分离式斗杆结构为例，验证表明:斗杆结构方案智能化设计模块的可行性、高效性、智能化、批量化、可视化，通过设计界面进行单个的斗杆结构方案设计，也可以通过文件数据导入的方式进行批量化的斗杆结构方案设计。
参考文献
[1]张卫国,权龙,程珩,等.基于真实载荷的挖掘机工作装置瞬态动力学分析[J].机械工程学报,2011,47(12):144-149.
[2]液压挖掘机编委会.液压挖掘机[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.
论文作者:田园
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/25
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