液壓挖掘機動臂優化設計的探析

胡麗琴

摘 要：在挖掘機構架中，動臂被看作必要部分，是承重的關鍵。施工的各階段內，動臂都承受著沖擊性的瞬時荷載，因而很易扭曲變形或是隱含裂痕。從根本上看，動臂是否符合最佳的剛度及強度要求，密切關系到液壓挖掘機整體操作的質量。優化設計動臂，可以防控某一時段的應力聚集，減輕動臂自身的重量。經過優化以后，設計出更合適的動臂尺寸。針對于液壓挖掘機，采納有限元解析的方式予以優化設計，從根本上提升了挖掘機的精度，優化生產實效。

關鍵詞：液壓挖掘機；動臂；優化設計

在各類工程范圍內，液壓挖掘機都經常被選用。挖掘機可用于節省勞動，減低了勞動強度。對于土石方施工、搬運及機械施工，都可優先選用液壓式的挖掘機。液壓挖掘機配備了動臂，可以承載瞬時的較強負荷[1]。在施工進程中，動臂應能維持于最佳的運轉狀態，慎重防控突然的斷裂及損傷。對于此，有必要解析動臂設計的優化方式，在各類方案中篩選最適宜的優化措施。

一、總體的優化思路

技術快速進步，與之相伴的工程機械也表現出更優的質量水準。在新的階段內，工程機械配備了計算機軟硬件，優化了日常施工的方式。針對于零部件及整體機械，都可采納微機輔助下的優化。在解析機械構架時，也可選取有限元的特定方式。從現狀來看，某些軟件增設了配套性的接口，也配備了CAD平臺用于制作模型。這樣做，從根本上提升了解析時的精確性。然而，在轉換模型時，仍會耗費較多精力及時間用于修補原先的模型，因此制作出來的模型并沒能完全吻合設置的目標。若能采納有限元特定的解析方式，即可優化現有的動臂參數。設定參數范圍，而后尋求最優的數值信息[2]。

液壓挖掘機裝置中，動臂是關鍵的構件。挖掘機在運轉時，動臂也承載了較大的上側負荷。然而日常施工的流程內，沖擊性的瞬間負荷通常都會較高，這種狀態下的挖掘機很易超越設定的變形限度，造成彎曲變形。同時，設置動臂也要兼顧本身的剛度及強度。這是由于，配置的動臂是否合適，直接關系到應力聚集的程度及挖掘機的順利運轉。優化設計要借助于有限元軟件，創造無縫集成。這樣做，確保符合了設定的精度，提升優化的成效并且可以指引實踐。

二、設計系統架構

通常來看，若要解析某一問題，在工程學角度下先要予以抽象。在這之后，采納數學建模的設計方式。從這種角度看，優化設計的根本宗旨即為構建模型。液壓挖掘機設有動臂，這種構件應能順利運轉并且運送原料。但是與此同時，動臂也承受著較多的作用力。在優化設計中，先要構建必備的物理模型，考慮動臂本身的特性。給出限定條件，而后擬定必備的變量參數。經過全方位優化，即可配備最適宜的動臂性能指標。因此從整體來看，數學模型涵蓋了約束條件、設計的變量、相應的目標函數。

液壓挖掘機這類裝置包含了動臂、鏟斗及配套的油缸，此外還配備了箱體的焊接結構。在動臂的根部，銜接了鉸接的銷軸，平臺中部及前端也配備了必要的焊接結構。轉臺設置了支撐性的動力油缸，在鉸接作用下油缸將會反復伸縮，帶動了升降運動的動臂結構[3]。

三、構建數學模型

挖掘機在運轉的進程中，動臂表現出舉伸的作用力。唯有這樣，才會確保最合適的挖掘總量。對于此，液壓系統及配套的發動機都應提升可承載的負荷總量，盡量滿負荷運轉。借助于發動機，提升了整體的挖掘機功率，獲取優良的經濟成效。經過解析可得，若油缸完全伸縮，那么斗桿及動臂將會維持于同樣的基準線。在這時，動臂的鉸接點表現出最大受力，舉伸的作用力也可達到最佳。這種狀態下，動臂油缸可被提升至最高，目標函數設定為最小的比值。

經過有限元分析，先要配備動臂的幾何模型。選取特定的軟件，快速生成更精準的有限元模型。優化后的動臂模型表現出三維的實體性，可以輸入信息。在這種基礎上，改進了各部分動臂原有的尺寸。在焊接動臂時，可選取多型號的鋼材用于焊接。最好選取某一模型鋼材，設定合適的彈性模量及密度，泊松比也要適當。針對動臂的運轉特性，有限元分析包含了鉸接轉臺的自由移動度，應當增設必要的自由度約束。在軸承方向上，還需施加荷載來表示各類支點分布的受力形態，因此可以確定優化后的動臂設計[4]。

四、解析動臂的靈敏性

有限元分析中，配備了靈敏度分析的必要模塊，可用于評價定量及定性的動臂誤差。在模型校正及參數化過程中，有限元分析都被看作最合適的用具，它表征了描述系統時的不可確定性。從根本上看，局部及全局性的靈敏度解析都被包含在內。優化設計動臂時，不需考慮銜接性的其他裝置構件。從力學原理來看，動臂鉸接點分布的應力狀態都會帶來某些影響。為此，就要設置最佳敏銳度的動臂結構，優選合適的參數。

除了全局的敏銳度，還需衡量局部性的動臂敏銳程度。具體來看，局部的解析針對于變化中的單個參數，設置了精準的評價模型。篩選幾個參數，而后辨析了綜合設計帶來的動臂靈敏度影響。全局的優化設計更注重于整體優化，解析了參數相互的作用。在這種基礎上，確定了最大范圍內的動臂性能影響，找出最合適的優化數據范圍。滿足約束條件的基礎上，應能確保動臂體積減小、自身重量減輕，并且能夠分散原本集中的動臂應力。

五、結語

液壓挖掘機的優化設計不可缺失動臂的優化，構建了必要的優化模型，從全方位入手優化配備了動臂的性能。借助于有限元分析，設定了敏銳度等多樣的參數用于優化。經過全面優化，設計出來的新式動臂符合了負載強度，可以分散應力并且減輕負重。這樣做，選取了合適的動臂幾何尺寸，運轉的動臂將會表現出更優的實效性。在未來實踐中，還需不斷摸索設計優化的經驗，服務于液壓挖掘機的施工實踐。

參考文獻：

[1]鄭惠強，王業文.液壓挖掘機動臂優化設計數學模型的建立[J].中國工程機械學報，2012（02）：142-144.

[2]陳健，周鑫，劉欣等.液壓挖掘機動臂結構的優化設計[J].工程機械，2012（07）：19-22+5-6.

[3]朱奇，孫紀燕. 液壓挖掘機動臂優化設計[J].工程機械，2012（09）：34-36+7.

[4]吳盛彬，劉孝保.液壓挖掘機動臂內部筋板的拓撲優化設計[J].新技術新工藝，2014（08）：43-45.