挖掘機動臂有限元分析與優化設計

易廣建

（沈陽理工大學，沈陽 110159）

建筑行業的發展帶動了基礎設施建設的快速推進，這就對工程機械生產提出了更高的要求，需要速度更快、效率更高的施工作業機械來滿足工程作業要求。有數據表明，國民經濟建設施工過程中有60%以上的工作需要挖掘機來完成，因此近幾年，挖掘機的銷量激增，但國內企業的市場占有率始終偏低，因此尋找更好的技術手段提升企業的市場占有率，成為國內挖掘機企業的追求目標。

1 挖掘機市場應用和技術現狀

20世紀60年代后期，中國開始進行挖掘機技術的研究，90年代我國挖掘機開始進入快速發展時期，2000年后又實現了一個質的飛躍，10年時間產量翻了將近4倍，這主要歸功于南水北調、高速公路建設、西氣東送等國家建設工程的順利施工。雖然我國的挖掘機行業發展較為迅速，但國內企業的市場占有率偏低，遠低于合資企業的市場占有率，這是由于國內的部分挖掘機企業進入市場較晚，技術研發水平遠低于國外的技術水平。另外，大多數挖掘機企業是在生產裝載機的基礎上進行挖掘機的生產，導致相關技術遠落后于國外企業，很難避免斗桿、動臂斷裂或開裂問題的出現，這在一定程度上制約了國內挖掘機企業市場占有率的提升。因此，從生產技術手段入手，提升挖掘機動臂等機械關鍵點的技術水平，可以有效地促進國內企業市場占有率的提升。

2 現有動臂存在的技術問題

2.1 復雜作業環境導致的挖掘機動臂問題

挖掘機是一種長期處于較為惡劣的工作環境的作業機械，不僅要承受較大強度的挖掘載荷，還要承受溝坡導致的側向載荷，這就要增強其受力部件的抗壓、抗扭能力。另外，部分特定挖掘機通常裝有碎石所用的振動破碎頭，用于破碎爆破后裝運碎石期間出現的較大石塊，長期使用會出現動臂因承受較大的振動疲勞而受損。

2.2 挖掘機作業過程中動臂的失效形式

現有用于溝坡作業或碎石的挖掘機，其受力部件同時承受挖掘機工作時內應力加大和卸載時內應力變小而導致的交變載荷，長期受交變載荷影響的挖掘機其應力受力部件（結構截面和交叉焊接處）很容易出現裂紋，存在較大的安全隱患。

3 動臂基于有限元的優化設計

3.1 相關參數模型的建立

在產品設計初期，通過對產品性能的深入了解，建立合理、有效的有限元模型，可以提高產品的性能和優化分析效果。優化分析的過程中，如果就不同設計點分別建立幾何模型，會大大增加工作強度，因此需要在有限元技術的基礎上采用參數化模型建模方法加速產品設計過程，通過板材厚度、不同載荷條件下使用情況、基礎參數（長、寬、高）等結構參數的提取，使得模型可按照產品的設計意圖隨時修改。參數模型的建立可通過CAD軟件或編寫腳本建立參數化模型，再利用有限元軟件進行進一步的優化分析。

3.2 有限元技術的優化分析

有限元法的思想最早出現于20世紀40年代初，直至六七十年代有限元理論和技術才開始趨于成熟，并陸續衍生出許多商業化有限元分析軟件。近幾年，CAD技術、參數模型建立技術、有限元技術發展迅速，但有限元技術在我國的起步較晚，偏于力學領域，對挖掘機這種較為復雜的作業機械分析和優化起來還存在一定的局限性。因此，需要將ANsYs等軟件作為輔助平臺，利用有限元技術促進動臂結構的優化和設計。

為了更好地滿足客戶需求，可結合產品使用周期中不同階段的性能需求，實現一個循環的性能驅動優化設計，從而獲得產品結構的最合理設計。有限元技術之所以能夠實現產品結構的優化設計，是由于其能在已有參數化模型的基礎上及時發現產品各部分初始參數的不合理性或相關約束機制，其約束機制、設計變量均按照產品的性能制定，并通過產品約束機制和結構參數的提取及時調整組織結構，利用反驅動的方式實現產品的優化。

3.3 挖掘機動臂基于有限元的性能優化分析

挖掘機動臂需要進行性能優化分析的部分即為挖掘機作業過程中承受較大外載荷的，由動臂、鏟斗及連桿組成的工作裝置，其性能的優劣直接決定挖掘機的工作性能。為適應有限元優化分析對模型簡化的要求，優化分析過程中省略影響較小的螺紋孔等特征，以動臂油缸、側板等作為優化分析對象。首先要進行動臂的強度分析，不同工況條件下挖掘機力臂承受載荷的著力點不同，導致應力的危險截面位置和應力著力位點也不同，因此在采用有限元進行載荷和約束設計時要具體分析。比如，在研究最大力臂作用位置的工況時，可將加載方式轉變為通過銷軸傳遞載荷，并選擇受力的內圓柱面和受力方向（只沿徑向）來實現挖掘機動臂的優化。

利用有限元技術實現動臂的優化設計，即找到強度足夠符合挖掘機作業要求、能夠節省材料的最佳方案?？筛鶕蛻魧颖坌阅艿囊螅肁NsYs軟件輔助有限元技術對參數模型進行進一步的優化分析，并根據優化分析的結果對動臂進行優化設計。比如，優化分析結果表明，動臂的寬度對應力影響不大，但為了節省材料，可將其寬度減少20%；為滿足動臂對強度的要求，可將動臂銷軸的直徑增大20mm；為減小應力對動臂的集中影響，可將耳板厚度（與斗板相接）增加5mm，優化后動力臂如圖1所示。優化完成后，可再次對挖掘機動臂的強度進行檢驗和分析，優化后的應力值為16.1MPa，明顯降低且均勻分布在耳板部分，但仍在作業的安全范圍內。這樣既能有效地減少動臂材料的耗損，又能降低危險截面的應力大小，實現動臂的最優化設計。

圖1 優化后動力臂

4 結論

利用有限元技術對挖掘機動臂進行優化設計，不僅能縮短優化設計的過程、降低材料的損耗，還能有效地減輕挖掘機的重量、降低產品生產商制造成本的損耗，在符合實際工況的基礎上滿足客戶對挖掘機性能的個性化需求，有效地保證了產品的安全性和可靠性，提高了產品的使用壽命。另外，有限元技術的有效應用還可以推動國內生產企業生產技術的提升，從而獲得更多質量優異的挖掘機產品，進一步提升國內企業的市場占有率。