裝載機動臂橫梁結構優化設計

周海崗，孫永偉，趙 塹

(山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073)

裝載機工作效率高，整機所受負荷頻繁，尤其是工作裝置，是整車的作業工具，承載了作業時鏟掘、運料、舉料等的所有載荷，工況惡劣，損壞故障頻率較高。為保證工作裝置使用強度，動臂設計的板材較厚，安全富余量較高，因此母材強度沒有問題，故障往往出現在焊縫處，焊縫開裂造成動臂損壞[1]。目前動臂橫梁一般設計成箱體焊合結構，雖強度高，但存在重量大，焊縫長，端部應力集中嚴重等問題[2]，而其受工作裝置挖掘力、偏載扭轉力等復合載荷[3]，承受載荷較大，故障率較高。

1 結構特點

裝載機工作裝置主要由動臂、搖臂、連桿及鏟斗組件組成，鏟斗通過左右2 個銷軸與動臂板連接，中間通過連桿、搖臂與動臂橫梁連接。當受到作業載荷時，橫梁會受到動臂板、搖臂傳遞的載荷，受力較大，因此結構上必須保證足夠的強度。

目前臂橫梁結構是矩形截面橫梁，結構如圖1 所示。矩形截面橫梁結構是由2 個上下U 形板對焊而成[4]；中間增加多個筋板作為支撐，整體長度尺寸大、焊件多、焊縫長，工藝復雜。而且目前為保證動臂及橫梁結構的使用強度，其設計截面尺寸都比較大，不僅重量增大、影響司機視野，另外橫梁的增大還造成動臂焊接處的截面偏大。

圖1 動臂橫梁結構示意圖

整體橫梁結構本身強度足以滿足裝載機的工況使用，故障問題往往出現在橫梁各焊接件間的焊縫位置，受焊接技術、焊接條件、焊接環境、焊接質量等多因素不確定影響。而橫梁損壞后，只能更換動臂總成，維修成本較高。

2 應力應變實驗

通過目前仿真分析確定動臂應力較大位置點，在進行動臂應力實驗時，選擇動臂左右板及橫梁與動臂板焊接附近的部分關注點進行應變測試。對整機在典型V 形作業時的多種工況[4]，如正載/偏載鏟土、運土、舉升、卸土等進行時時應變記錄通過數據顯示動臂在不同作業狀態下，其應變數據有明顯變化（圖2）。

對實驗數據進行整理，并與仿真分析結果進行比對，如圖3 所示柱狀圖。從分析結果與實驗結果對比來看，兩者數據吻合度為94%，驗證分析方法的正確性與分析結果的可靠性。從結果中可看到動臂在偏載鏟掘工況下動臂應力達到最大。

圖2 動臂應力應變實驗數據記錄

圖3 實驗數據對比

通過分析的應力云圖可以明確看到，偏載時動臂傳力的路徑是由偏載側動臂前端經橫梁傳遞到另一側動臂后端，最終傳遞到車架，如圖4 所示，傳遞路徑呈“Z”形，因此動臂為受扭狀態，從動臂應力云圖可看到，橫梁與動臂板焊接附近的應力較大，而橫梁中間部位應力較小，因此結構優化方向便是保證橫梁兩側截面、減小中部截面。

圖4 動臂鏟掘偏載工況等效應力分布圖

3 疲勞強度評估

根據有限元分析中的應力數據，對動臂及橫梁的關注點進行疲勞強度的評估，使用修正的Goodman 疲勞極限圖，將關注點的應力相關參數描繪到Smith 圖中[5～6]。

如圖5 所示，各點的應力均在極限圖允許的范圍內，強度滿足使用要求，有可優化的空間。考慮減小橫梁截面尺寸，降低動臂質量。

圖5 Goodman疲勞極限圖

4 方案設計

通過有限元分析及實驗驗證，動臂橫梁與動臂板焊接處附近的應力較大，而中間的應力較小，因此需保證焊接處的截面尺寸以使有足夠的焊縫強度，而中間位置應力小，截面尺寸可減小。可使用變截面結構進行設計，如圖6 所示，兩端面即焊接處為大圓面，可保證端部抗扭強度及與動臂的有效焊縫長度；而中間為多邊形混合小截面，保證搖臂焊接座的受力性，同時減小了整體質量。整體結構鑄造而成，避免復雜的焊接工藝及影響。圖7 為優化后動臂偏載工況等效應力分布圖。

圖6 橫梁優化結構

圖7 優化后動臂偏載工況等效應力分布圖

通過偏載工況有限元分析，對三種結構的應力進行對比，前兩種結構橫梁兩端焊縫附近最大應力最高達294MPa。新設計結構端部焊縫附近應力明顯降低，最大為190MPa，降低35%，而且動臂整體扭轉變形也得到有效改善。

5 結語

以動臂橫梁典型結構為研究對象，總結橫梁特點，梳理其存在的缺陷。通過應變實驗與仿真分析對比，驗證分析方法的正確性與準確性。通過應變實驗數據及分析結果，確定橫梁危險部位，并通過Goodman 疲勞極限圖，對動臂及橫梁進行疲勞強度評估，確定改善可行性及明確改善方向，最終將橫梁截面優化為兩端圓形大截面、中部多邊形混合小截面結構，即保證與動臂的焊接強度、抗扭性，也有效減小截面體積，降低質量，同時改善司機視野。