小型挖掘機工作裝置仿真分析及輕量化設計

高 偉

（山西省數字化轉型促進中心，山西 太原 030000）

引言

挖掘機的工作裝置包含動臂、斗桿和鏟斗，由于工作性質的不同，動臂是受力最嚴重的部件。為了提高工作裝置的強度，需要在試制前通過靜力學仿真軟件對其強度進行分析，以保證其工作時的可靠性[1]。

姜新甜等[2]利用三維建模軟件對挖掘機的動臂、斗桿和鏟斗進行參數化建模，利用骨架模型技術實現建模的快速化，利用仿真軟件對完成參數化的模型進行了挖掘力和挖掘范圍的動態模擬。曹源文等[3]對小型挖掘機的異形鏟斗進行研究，通過自上而下的建模方法完成了多功能清理斗的參數化建模，并通過靜力學仿真軟件對鏟斗的強度進行分析。曹蕾蕾等[4]通過實際測試工作裝置的受力及使用壽命建立了動臂、斗桿和鏟斗疲勞壽命的數學模型，并通過此模型對工作裝置的生產和使用進行評估。

盛亞君等[5]通過仿真軟件對工作裝置中受力最嚴重的部件進行分析，通過將仿真數據進行大數據分析，得出了動臂的疲勞壽命模型。田子合等[6]通過SolidWorks 建立了動臂的仿真模型，完成多層次的網格模型后對其進行數值模擬，完成靜力學分析后又通過MATLAB 軟件的擬合功能實現了挖掘機工作裝置的輕量化設計，既節省了生產成本，又保證了其可靠性在合理范圍內。

1 三維建模及邊界條件設置

挖掘機工作裝置的制造成本主要由材料成本費和工費兩部分組成，材料成本費主要與原材料價格和工作裝置的重量有關，工費主要與人工成本和工作裝置的焊接及機加工工藝有關[7-10]。本研究從動臂、斗桿和鏟斗的重量為降本點，在保證其強度可控的條件下，通過輕量化降低其制造成本。本研究先建立工作裝置的三維模型，然后通過仿真找出其結構的應力應變效果，接著對其進行輕量化處理，最后通過仿真對輕量化后的結構進行驗證。本次的輕量化目標是在許用應力允許的范圍內整體質量減少15%～20%。

通過PROE 三維建模軟件建立小型挖掘機動臂、斗桿和鏟斗的三維模型，為方便后期的整改和優化，引入自上而下和骨架建模技術，先在系統中完成建模位置的空間平面設置，然后建立工作裝置的骨架，最后通過骨架完成動臂、斗桿和鏟斗的三維建模。

將三維模型建立后導出通用格式傳入網格劃分軟件ICEMCFD 中，在進行網格劃分前先對模型進行前處理，即將動臂、斗桿和鏟斗上的小件去掉，然后將焊接用的坡口填平，最后將無關的小圓孔、螺紋孔、圓角和倒角去掉，因為這些部位對仿真的結果影響很小，但是在進行網格劃分時卻很復雜，所以要在網格劃分前去掉這些部分。這樣做，一方面不會影響網格劃分的質量，另一方面能大幅提高網格劃分的效率，減少網格劃分的時間。

通過多層次網格劃分，利用四面體網格和六面體網格對其進行劃分，尺寸較小的部位還需進行局部加密，優化網格的質量，以保證仿真結果的可靠性。將完成網格劃分的小型挖掘機動臂、斗桿和鏟斗的三維仿真網格模型導入有限元分析軟件ANSYS 中進行數值模擬。

在軟件中先檢查網格的完整性和質量，然后設置模型的單位，進行仿真的邊界條件設置模型，選取仿真所用的數學模型，設置多個載荷的方向和大小、約束方向、數值模擬的迭代步數，最后定義收斂的精度為0.001，此時就可進行挖掘機工作裝置的靜力學分析。設置仿真的邊界條件時，先通過數學模型計算出3 種典型姿態下的挖掘力，這3 種姿態分別對應挖掘機的最大挖掘半徑姿態、最大挖掘深度姿態、3 個油缸的最大作用力臂姿態，實際施工過程中挖掘機在這3 個姿態下最易出現問題，因此對這3 個姿態進行分析。

如圖1 所示，輸入挖掘力，并將挖掘力平均分布在鏟斗斗齒的切線方向，將動臂油缸設置為閉鎖約束，在下車部位施加一個重力加速度，模擬整機的操作重力，最后將位移約束施加到整機的下車部位。挖掘力分為動臂油缸閉鎖狀態下產生的合力、斗桿油缸閉鎖狀態下產生的合力、鏟斗油缸主動伸出時產生的合力，整機挖掘力的數值取三者中的最小值。

圖1 小型挖掘機動臂、斗桿和鏟斗的仿真模型載荷及約束圖

2 工作裝置靜力學仿真分析

小型挖掘機的動臂通過單個的動臂油缸驅動其轉動，斗桿則通過安裝在動臂和斗桿耳板上的斗桿油缸驅動其運動，鏟斗則利用鏟斗油缸通過帶動搖桿和連桿運動進而實現鏟斗的收放。為了模擬動臂、斗桿和鏟斗的受力情況，本研究選取挖掘機工作時的3 種受力較大的姿態進行靜力學分析。

圖2-1 中，鏟斗的斗齒部位、搖桿及連桿的鉸接點處、鏟斗油缸安裝座、斗桿油缸安裝座、動臂油缸安裝座、動臂與轉臺連接處以及動臂折彎處受力較為嚴重，其中動臂折彎處受力最為嚴重，最大等效應力達到了211.411 MPa。動臂是整個工作裝置中受力最為嚴重的部件，實際工作時極易發生開裂，因此，動臂折彎處要進行局部增強。圖2-2 中，鏟斗的斗齒部位、動臂折彎處、動臂與轉臺連接處受力最為嚴重，最大等效應力達到了209.772 MPa。圖2-3 中，鏟斗的斗齒部位、鏟斗油缸安裝座、斗桿油缸安裝座、動臂折彎處受力較為嚴重，最大等效應力達到了316.431 MPa。

圖2 工作裝置3 種不同姿態的受力（MPa）云圖

3 種姿態中，鏟斗的斗齒部位、動臂折彎處這兩處是共同的受力較為嚴重的區域，鏟斗的斗齒部位主要受摩擦阻力，在設計時會在斗齒處增加護套，以提高其抗磨性。而動臂折彎處主要是克服彎曲應力，在設計時此處需增大焊腳尺寸，實際加工時要通過激光探傷儀確保焊絲全熔透，并在焊接完成后去除殘余應力。3 種姿態中，姿態三的受力最嚴重，其最大等效應力比姿態二升高49.68%，比姿態一升高50.85%。因此，本研究選用姿態三進行輕量化模擬。

3 導重法及輕量化

導重法是機械領域新興的一種輕量化方案，其優點是模擬迭代次數少、計算效率高、可短時間內模擬出結果。導重法利用敏度對工作裝置中動臂、斗桿和鏟斗的幾個關鍵部件按照正比分配的原則進行輕量化處理，而敏度的數值可由ANSYS 軟件中的優化工具箱得出。

將姿態三的仿真模型導入仿真軟件ANSYS 中進行數值模擬，圖3 為工作裝置總質量隨迭代次數的變化趨勢，從圖3 中可以看出，前5 次迭代過程中，隨迭代次數的增加，工作裝置的總質量逐漸下降，但是下降的趨勢在減緩；當迭代到第6 次時，工作裝置的總質量反而上升，說明此時的輕量化數值模擬結果達到了收斂狀態。

圖3 工作裝置總質量隨迭代次數的變化趨勢

仿真完成后導出各部件的質量后進行取整優化，最終動臂的質量由479 kg 輕量化至386 kg，輕量化率為19.42%；工作裝置的總質量由839 kg 輕量化至660 kg，輕量化率達到了21.33%。

為了驗證優化后輕量化方案的可靠性，將優化后的動臂、斗桿和鏟斗按照原來的方法進行三維建模、網格劃分和數值模擬，完成靜力學分析后的工作裝置受力云圖如下頁圖4 所示。通過工作裝置所用的材料、安全系數計算出工作裝置的最大許用應力為345 MPa，而輕量化后動臂的最大等效應力為281.409 MPa、斗桿的最大等效應力為333.028 MPa、鏟斗的最大等效應力為341.785 MPa，最大等效應力發生在鏟斗部位。工作裝置的最大等效應力雖然由原來的316.431 MPa 增大為341.785 MPa，但是整體仍然在許用應力345 MPa 的安全范圍內。因此，本次工作裝置的輕量化達到了減重15%～20%的設計目標。

圖4 工作裝置不同部位優化后受力（MPa）云圖

4 結語

為降低挖掘機動臂、斗桿和鏟斗的制造成本，本研究以6 t 小型挖掘機為研究對象，先通過靜力學分析軟件模擬出挖掘機工作裝置在3 種不同姿態下的受力情況，然后利用導重法對受力最大的姿態進行輕量化擬合，最后再對優化后的工作裝置進行數值模擬，以驗證其強度。研究結果表明：在許用應力允許的范圍內，通過導重法將動臂整體輕量化19.42%，工作裝置整體輕量化21.33%，達到了預先的設計目標。