挖掘機平臺有限元分析及回轉液壓系統仿真的研究

金璐 王曾赟

摘要：本文利用有限元法研究了挖掘機平臺結構和回轉液壓仿真系統，并提出了相應的優化策略。

關鍵詞：挖掘機平臺；有限元；回轉液壓系統

近幾年來，隨著我國技術的不斷發展，液壓挖掘機得到了突飛猛進式的發展。而由于社會與市場的發展，對于液壓挖掘機的需求量增多，人們對于液壓挖掘機的性能要求也有所提升。這就使得對于挖掘機的結構和功能進行研究與改進成了相關技術人員的重要工作。有限元法是一種能夠分析挖掘機結構強度的方式，相比于傳統的研究方法更加簡單、耗時也相對較短。同時，回轉液壓系統式挖掘機的重要結構系統，對其進行研究和改進也有著重要的意義。

1 挖掘機平臺有限元分析

1.1 挖掘機平臺有限元的模型建立

利用三維軟件建立起挖掘機平臺的三維模型，然后將其倒入有限元分析的軟件系統中。挖掘機平臺的整體結構較為復雜，所以需要技術人員對于其結構中包含的小倒角、小圓孔等等細微的結構進行掌握，保證其在挖掘機平臺模型的建立時不被忽略。

挖掘機平臺主要是用于承受上部的挖掘機重量以及挖掘機運行時的挖掘力，在結構上要求其具有較高的穩定性、足夠的強度等等。在建立挖掘機平臺的三維模型時，可以根據實際的情況，在不影響結果輸出的情況下對于力學建模進行簡化。例如，在建立模型時，對于焊接的影響進行忽略，在實際的建模中對于焊縫進行定義連接接觸。

1.2 平臺上的荷載分析

挖掘機平臺在運行的時候主要承受著來自兩個方向的力，依據挖掘機平臺在運行時的兩種不同狀態，對于其荷載進行分析。

第一，最大挖掘半徑及深度的工況分析。在這一條件下，挖掘機的鏟斗液壓缸會發揮出最大的挖掘力。在這一條件下，挖掘機的重心與動臂絞點的水平距離為2.095m，重心到斗桿與動臂的交點之間的距離為0.232m。在這一條件下，鏟斗油缸的最大壓力為26.5MPa，大腔直徑為0.09m，小腔直徑為0055m，抗壓時油缸最大的力為168586N。斗桿油缸的最大壓力為26.5MPa，大腔直徑為0.09m，小腔直徑為0.055m，抗拉是油缸最大的力為105626N，抗壓時油缸最大的力為168586N。動臂油缸最大壓力為26.5MPa，大腔直徑為0.115m，小腔直徑為0.065m，抗拉是油缸最大的力為187317N，抗壓時油缸最大的力為275252N。

第二，挖掘機前傾失穩的工況分析。在這一情況下，重心到斗桿與動臂交點的距離為0.116m，重心到動臂絞點的距離為2.547m，鏟斗油缸的作用力臂為0.256m，遙桿的作用力臂為0.349m，斗桿油缸的作用力臂為0.484m。經過計算，能夠得出此時鏟斗油缸所產生的最大挖掘力為25485N，斗桿油缸承受的最大挖掘阻力為79516N，動臂油缸承受的最大挖掘阻力為57123N。[1]

1.3 結果的分析

依照上述的平臺荷載分析中得出的數據，能夠計算出在工況一的條件下，應力最大達到了908.8MPa，已經超過了屈服強度的極限值，所以需要對挖掘機平臺的結構強度進行有效的提升。根據有限元計算，挖掘機平臺的圓角半徑難以達到需要的150mm以上。在工況二的條件下，各處的應力最大值已經超過了閾值，所以對于挖掘機平臺結構進行改進是十分必要的。

1.4 挖掘機平臺結構的改進

通過上述的分析結果中能夠了解到，挖掘機平臺結構的強度還需要提升，各處承受的重力最大值還需要得到提升。可以將挖掘機平臺結構進行有效的調整，改變其傳統的應力分布，實現應力最大值的有效降低。同時，要結合提升挖掘機平臺結構的強度，才能夠實現挖掘機平臺結構的最優化。可以在挖掘機平臺的左右立板處添加加強板，使加強板維持在2022mm，并將耳板的厚度提升至25mm以上，實現對于挖掘機平臺結構的強度提升的目的。

2 回轉液壓系統模型仿真分析

2.1 回轉液壓系統仿真模型的建立

依據挖掘機回轉液壓系統的工作原理，在三維軟件上建立起回轉液壓系統的仿真模型。與建立挖掘機平臺的三維模型相同，回轉液壓系統仿真模型的建立也要對一些結構進行簡化處理。例如，柱塞泵是挖掘機回轉液壓系統中的一個元件，但是對其控制的方式與結果的輸出的影響較小，可以選擇使用某一統一的控制方式，諸如連續信號控制排量的方式，進行系統模型的建立。多路閥的控制方式對于挖掘機回轉液壓系統仿真模型的最終結果輸出影響也較低，可以隨意選擇一種控制方式應用于回轉液壓系統的仿真分析中。

2.2 回轉液壓系統仿真結果的分析

經過分析，得出回轉液壓系統仿真模型的壓力峰值為194MPa，最大壓力波動為11.1MPa。而試驗的馬達進出口壓力的峰值在19.1MPa，最大壓力波動為11.1MPa。[2]不同轉動慣量下，壓力也會隨之改變，經過數據分析能夠得出，在制動的過程中，轉動慣量越大，回轉液壓系統的壓力波動就越小。

2.3 回轉液壓系統的優化與改進

由于回轉液壓系統制動的過程中，壓力波動會隨著轉動慣量而改變，所以想要實現回轉液壓系統的優化，就要針對這一問題進行改進。可以通過并聯阻尼口的方式來實現壓力的穩定。阻尼口的安裝工藝簡單，成本也相對較低，是一種性價比較高的回轉液壓系統的優化方式。阻尼口的并聯能夠使得馬達的開關隨著進口壓力的改變而改變，在彈簧室的壓力油推動著提升閥向右側移動時，阻尼口就會被封閉，這樣就使得壓力油全部進入回轉馬達中。而當回轉馬達停止運行時，提升閥則會向左側移動，使得壓力油在B口產生壓力。利用回轉裝置，能夠保證在這一狀態下兩個油口的流量保持平衡，有效避免了逆回轉的產生。

3 總結

綜上所述，挖掘機平臺有限元分析及回轉液壓系統仿真研究對于了解挖掘機結構強度，提升其性能有著重要的作用。本文利用有限元法分析了挖掘機平臺結構以及回轉液壓仿真模型，并根據其結構弱點提出了加大平臺強度、并聯阻尼口的優化策略，為相關工作人員提供參考。

參考文獻：

[1]張洋，張東杰，張聰聰，鄭華，孟啟星.液壓挖掘機回轉平臺有限元分析[J].建筑機械，2014（05）：8184.

[2]陸軍坊.挖掘機平臺有限元分析及回轉液壓系統仿真[D].西南交通大學，2008.

作者簡介：金璐（1982），女，遼寧葫蘆島人，助教，教師，研究方向：機械工程。