挖掘機工作裝置動力及有限元聯合仿真分析

何　君，桂　瑩

(貴州工業職業技術學院，貴州貴陽550008)

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挖掘機工作裝置動力及有限元聯合仿真分析

何君，桂瑩

(貴州工業職業技術學院，貴州貴陽550008)

摘要：通過PROE軟件對挖掘機工作裝置進行三維模型的建立，在多體動力學軟件ADAMS中對工作裝置虛擬樣機進行了動力學仿真分析，得出了挖掘機工作裝置在復挖掘工況下各鉸點的受力情況。取各鉸點最大受力姿態及大小為工作裝置進行有限元分析,為設計優化提供依據。

關鍵詞：液壓挖掘機工作裝置動力學仿真有限元分析

0引言

液壓挖掘機工作裝置設計是一項反復且復雜的過程，各結構設計是否滿足工況要求直接影響挖掘機的質量。本文通過動力學仿真軟件ADAMS及有限元分析軟件ANSYS對某型號挖掘機工作裝置進行聯合仿真，大大提高了設計人員的工作效率。

1液壓挖掘機工作裝置模型

液壓挖掘機工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗、連桿機構、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸幾部分組成[1]，如圖1所示。為便于分析，對工作裝置各鉸點進行編號，如圖2所示。

圖1　工作裝置三維模型　　　圖2　工作裝置鉸點分布

2挖掘機工作裝置動力學分析

2.1復合挖掘工況下挖掘阻力的確定

在對挖掘阻力進行計算時，通常將其近似認為作用于鏟斗的斗齒尖上[2]。并將挖掘阻力在切線及法線方向上進行分解。將阻力分解為挖掘軌跡切線方向上的切向挖掘阻力Wt及垂直于挖掘軌跡的法向挖掘阻力Wn。其經驗公式如下所示[3]：

切向阻力：Wt=k0bh

法向阻力：Wn=φWt

式中：k0—挖掘比阻力；

b—切削寬度，即鏟斗斗寬；

h—挖掘深度，通常h=(0.1～0.33)b；

φ—挖掘阻力系數。

本文研究挖掘機的作業對象通常為普通粘土、堅實的亞粘土等Ⅲ級土壤。所以通過查表可得k0=1.55×105N/m2，本文鏟斗斗寬b=0.906m。取挖掘深度h為0.33b，即h=0.3m，挖掘阻力系數φ取值為0.42。代入上式可得：

Wt=1.55×105×0.906×0.3=41 986N

Wn=0.42×41 986=17 634N

本文挖掘機的鏟斗裝滿Ⅲ級土壤時的重力為：14 200 N。

2.2挖掘機工作裝置動力學仿真

在對挖掘阻力及物料重力計算好之后,我們便可以在Adams軟件中對各種阻力在工作裝置虛擬樣機上進行施加，并對挖掘過程進行模擬[4-5]。在Adams/Solver求解結束后，便可以得到挖掘機工作裝置各鉸點的受力曲線圖[6-7]。其中作為主要受力構件的斗桿、上動臂各鉸點受力變化曲線圖3、圖4所示。

圖3　斗桿各鉸點受力情況

圖4　上動臂各鉸點受力情況

對Adams中獲得的各鉸點所受最大力進行X-Y坐標方向分解，各鉸點力大小如表1、2所示。

表1　斗桿各鉸點力在X-Y方向分解值(單位：N)

表2　上動臂各鉸點力在X-Y分解值(單位：N)

3挖掘機工作裝置有限元分析

圖6　上動臂受力云圖

工作裝置通過動力學仿真獲得各鉸點最大受力大小后，便可對結構在有限元分析軟件下進行受力加載及求解[8]，圖5、圖6為ANSYS分析軟件下斗桿與上動臂在最大受力狀況下的應力云圖。

通過以上有限元分析，我們可以看出斗桿所受的應力值較小，處于一個大的安全系數范圍內，上動臂上與斗桿油缸相連接的耳板，在與蓋板進行連接時出現了較大的應力集中現象，在此提出如下建議：在耳邊與蓋板進行連接的過程當中，采用鏟刀口收尾的形式，并用砂輪對連接過渡處進行打磨圓滑，來減小應力的集中。

4總結

本文通過虛擬樣機的形式對挖掘機工作裝置進行了動力學及有限元聯合仿真分析，通過動力學分析得出了工作裝置在復合動作狀態下各鉸點的受力情況，并取最大受力狀態進行有限元分析，得出各構件的應力云圖，為機構的進一步優化提供了依據，極大的提高了設計效率。

參考文獻

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[2]康海洋.液壓挖掘機動臂結構動態分析[D].湖南：長沙理工大學，2007.

[3]張林艷，鄧子龍，張紅亮，等.挖掘機工作裝置虛擬樣機的建立與動力學仿真[J].遼寧石油化工大學學報,2008,28(3):46-49.

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[7]鄭建榮.MSC ADAMS虛擬樣機入門與提高[M].北京：機械工業出版社，2001.

[8]張朝暉,李樹奎.ANSYS 11.0有限元分析理論與工程應用[M].北京:電子工業出社,2008.

中圖分類號：TU621

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0008-03

作者簡介：何君(1986-),江西省宜春市人,貴州工業職業技術學院教師，機械制造及其自動化專業。

收稿日期：2016-03-22

Dynamics and finite element simulation analysis of the working device of the excavator

HE Jun, GUI Ying

Abstract:The 3D model of the working device of the excavator was created with CAD software PROE, then dynamic simulation was carried out on a virtual model of the working device by dynamics software Adams, and the force exerted on every point of the working device in operation was obtained. Then finite element analysis was carried out based on the maximum force position of the working device to provide basis for the optimization of the design of excavators.

Keywords:hydraulic excavator; working device; dynamic simulation; finite element analysis