基于有限元的挖掘机工作效率的技术研究 86页

单位代码10144分类号编号__________硕士学位论文题目’勒4齡焖抱娘抑研究生姓名(^业）导师姓名忘卑论文完成日期iiK$ShenyangLigongUniversity 沈阳理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：曰期年3月丨2_曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名日期期)：.，，口别:2〇fe.3.|z 分类号：TH12密级：ＵＤＣ：621编号：工学硕士学位论文基于有限元的挖掘机工作效率的技术研究硕士研究生：祖挥程指导教师：张志军教授学科、专业：机械制造及其自动化沈阳理工大学2015年03月 分类号：TH12密级：ＵＤＣ：621编号：工学硕士学位论文基于有限元的挖掘机工作效率的技术研究硕士研究生：祖挥程指导教师：张志军教授学位级别：工学硕士学科、专业：机械制造及其自动化所在单位：沈阳理工大学论文提交日期：2014年12月2日论文答辩日期：2015年3月07日学位授予单位：沈阳理工大学 ClassificationIndex：TH12U.D.C:621AThesisfortheDegreeofM.EngExcavatorworkingefficiencyTechnologyresearchBasedontheFiniteelementCandidate:ZuHuichengSupervisor:Prof.ZhangZhijunAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:MechanicalManufacturingandAutomationDateofSubmission:December，2014DateofExamination:March，2015University:ShenyangLigongUniversity 摘要液压挖掘机是土石方工程的主要施工机械，作为液压挖掘机最重要的功能部件之一—工作装置，工作装置的结构动态特性对挖掘机的工作性能有很大影响。因此，本文以XE135B型液压挖掘机工作装置为研究对象，对其结构特性进行有限元分析。本文主要研究内容如下：首先，本文分析了挖掘机工作装置的使用性能要求和设计原则，提出工作装置整体有限元分析的方法。其次，根据挖掘机平面设计图纸在三维造型软件Pro/E中完成了挖掘机整机及其工作装置的三维实体模型。再将建立的几何模型导入到有限元分析软件ANSYS中，根据实际情况确定模型的单元类型和材料属性，并确定模型的边界约束条件以及销轴铰孔处载荷的施加方式，最终建立了XE135B挖掘机有限元模型。然后，对工作装置的五种最危险的工况进行了静力学分析、模态分析、瞬态动力学分析.根据分析结果，分析出工作装置在静载荷作用下的静变形、静应力都是在安全范围内，而动载荷作用下的波动曲线最大值也未超过安全范围。根据工作装置的模态分析结果，得出了其振型和频率，为防止施工时产生振动提供了参考。另外，对最危险工况的动臂进行了静力学分析和模态分析，结果验证了XE135B挖掘机动臂结构强度满足设计要求，动臂固有频率与挖掘机工作频率也不会引起共振现象。本文通过对XE135B型液压挖掘机工作装置研究表明，采用计算机辅助设计和有限元分析方法、动力学仿真方法对大型工程机械进行设计、开发是一种高效的方法，同时通过对五种比较典型工况的有限元分析，得出挖掘机的最佳挖掘姿态，很大程度的提高了挖掘机工作效率，对提高挖掘机设计水平有重要意义。关键词：液压挖掘机；工作装置；ANSYS；静力学分析；瞬态动力学分析 AbstractHydraulicexcavatoristhemainconstructionmachineryinthefieldofEarth-rockengineering.Workingapparatusisoneofthemostimportantfunctionalcomponentsofthehydraulicexcavator,andthedynamicpropertiesofstructurethereofhavesignificantimpactontheworkingperformanceofthehydraulicexcavator.Therefore,thisarticlefocusesontheworkingapparatusofXUGONGXE135Bexcavator,andconductsthefiniteelementanalysisforitsstructuralproperty.Themainresearchcontentsofthetextareasfollowings:First,thearticleanalyzestheusingperformancerequirementandthedesignprincipleoftheworkingapparatusoftheexcavator,andthensuggeststhecompletefiniteelementanalysismethodfortheworkingapparatus.Secondly,athree-dimensionalsolidmodelofthecompletemachineofexcavatorandtheworkingapparatusthereofisfinishedinathree-dimensionalmodelingsoftwarePro/Ebasedonagraphicdesigndrawingoftheexcavator.ThenthegeometricalmodelbeingbuiltisimportedintothefiniteelementsoftwareANSYS,whereintheelementtypeandmaterialattributeisdeterminedbasedonthepracticalsituation,andtheboundaryconstraintconditionofthemodelandtheapplyingwayofloadingatthepinboringholecanbedetermined.Finally,thefiniteelementmodeloftheXE135Bexcavatorisestablished.Inaddition,fiveofthemostdangerousworkingconditionsoftheworkapparatusareconductedwithstaticsanalysis,modalanalysisandtransientelastodynamicanalysis.Accordingtotheresultsofanalyses,thestaticdeflectionandstaticstressoftheworkingapparatusundertheactionofstaticloadarebothwithinthesafetyrange,whilethemaximumvalueofthewavecurveundertheactionofdynamicloaddoesnotgobeyondthesafetyrangeeither.Accordingtotheresultsofthemodalanalysis,themodelvibrationandfrequencyareobtained,whichprovidereferenceforpreventingthevibrationproducedbytheconstruction.Further,theswingarmunderthemostdangerousworkingconditionisconductedwithstaticsanalysis,modalanalysis,andthe 沈阳理工大学硕士学位论文resultverifiesthatthestructuralstrengthoftheexcavatorswingarmmeetsthedesignrequirement,moreover,theinherentfrequencyoftheswingarmandtheworkingfrequencyoftheexcavatorwillnotcausetheresonancephenomenon.TheresearchoftheworkingapparatusoftheXE135Bexcavatormadethroughoutthetextshowsthatitisaneffectivewaytodesignanddevelopthelargeengineeringmachinerybyemployingthemethodsofcomputer-aideddesignthefiniteelementanalysis,andthedynamicssimulationmethod,whichhasgreatsignificancetoimprovethedesignleveloftheexcavator.KeyWords:Hydraulicexcavator;Workingequipment;ANSYS;StaticAnalysis;TransientDynamicAnalysis 目录第1章绪论.................................................................................................................11.1引言...............................................................................................................11.2课题产生背景及研究的必要性...................................................................21.3液压挖掘机发展研究现状......................................................................-4-1.3.1国外研究发展状况.............................................................................41.3.2国内研究发展状况.............................................................................51.4工作装置结构常见的问题...........................................................................61.5本课题的研究意义及研究内容...................................................................71.5.1本课题的研究意义.............................................................................81.5.2课题研究的主要内容.........................................................................9第2章挖掘机工作装置结构设计...........................................................................102.1XE135B挖掘机结构简介..........................................................................102.2液压挖掘机工况分析.................................................................................122.3挖掘机工作装置的设计要求.......................................................................122.3.1运动配合和动力特性要求.............................................................132.3.2工作装置的静强度和动强度要求.................................................132.3.3经济性及其他性能要求.................................................................142.4挖掘机工作装置三维实体模型的建立.....................................................152.4.1三维软件的选择...............................................................................152.4.2模型的简化处理.............................................................................162.4.3模型的建立.....................................................................................172.5典型工况下挖掘姿态的选取.....................................................................222.6本章小结.....................................................................................................24第3章挖掘机工作装置静力学分析.......................................................................263.1工作装置挖掘阻力分析.............................................................................263.2有限元模型的建立.....................................................................................27 沈阳理工大学硕士学位论文3.2.1Pro/E和ANSYS的无缝连接..........................................................273.2.2材料属性的定义和单元类型的选择...........................................-28-3.2.3模型的网格划分...............................................................................293.2.4边界条件及外载荷的施加.............................................................303.3工作装置在静载荷下有限元分析.............................................................313.3.1静强度分析.....................................................................................313.3.2变形分析.........................................................................................323.4销轴铰点联接问题探究.............................................................................333.4.1有限元分析中铰接点处理方法.....................................................333.4.2工作装置铰点销轴和轴套最小间隙确定.....................................343.5动臂的有限元分析.....................................................................................363.5.1计算工况的选择.............................................................................373.5.2动臂有限元模型建立.....................................................................373.5.3动臂有限元网格划分.....................................................................383.5.4边界条件及载荷的处理.................................................................393.5.5静载荷下结果分析.........................................................................413.5.6动臂动态特性分析.........................................................................423.6本章小结.....................................................................................................44第4章不同工况下工作装置模态分析...................................................................454.1ANSYS模态分析相关原理.......................................................................454.1.1模态分析的ANSYS有限元法和试验模态法................................454.2典型工况下工作装置整体模态分析...........................................................474.2.1模态分析必要性.............................................................................474.2.2不同工况时模态分析对工作装置的影响.....................................474.3本章小结.....................................................................................................60第5章工作装置的系统动力响应分析...................................................................625.1瞬态动力学分析相关原理.........................................................................625.2系统动力响应分析.......................................................................................635.3本章小结.......................................................................................................672 目录结论.............................................................................................................................68参考文献.....................................................................................................................69攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果.................................................73致谢.............................................................................................................................74 第1章绪论1.1引言近几年来国家基本设施建设发展迅速,使工程机械市场火爆，为各个工程机械生产厂家提供了发展的黄金时期。作为工程机械的主要产品之一液压挖掘机,是土石方施工工程中的主要机械设备之一,在国家经济建设中被广泛采用,为国家的现代化建设做出了巨大的贡献。如在矿山采掘、工业与民用建筑、水利电力工程、交通运输及农田改造等行业的机械化施工中。特别是最近几年以来，随着国家经济建设的快速发展，液压挖掘机在基础设施建设中及各种工程建设领域起的作用越来越重要，挖掘机作为一种高效、快速、安全的施工作业机械愈来愈被更多的[1]人们所接受。关于挖掘机设计方面，以往在结构设计与计算时，多采用静态的方法，而对研究系统的模态分析多采用试验模态分析法。近几年以来,复杂的工程分析计算问题的解决更广泛的采用ANSYS有限元单元分析法。“九五”计划以来,计算机仿真辅助CAD分析技术已经在我国机械行业内得到长足的发展，工程技术人员己逐渐使用计算机绘图，甩掉沉重的绘图图板，将主要精力集中到产品结构优化上来，以此来做好产品设计方面的工作。此时模态分析计算机辅助工程分析方法（CAE—ComputerAidedEngineering）和相应软件（ANSYS、Abaqus等）就成为工程技术领域关键的技术要素。在工程技术领域中，结构分析软件（ANSYS、Abaqus等）与计算机辅助设计系统(CAD系统)的综合应用使设计思想、理念与质量都发生了很大的变化，给设计工作带来了很多好处。采用计算机辅助工程设计分析方法（CAE技术）可以增加产品设计方案的多样性，并节约设计成本，提高设计的经济性和可靠性；使用ANSYS、Abaqus等有限元分析优化设计方法。还能够大大的减少材料的消耗、生产周期以及制造成本；在产品大批量生产制造或项目动工前利用该有限元优化设计方法可以提先发现所设计结构的问题，设置分析参数可以模拟仿真所有的试验方案，减少产品批量生-1- 沈阳理工大学硕士学位论文产前试验经费和时间，同时进行机械事故分析，查找事故原因。最近几年以来，CAE（计算机辅助分析）技术逐渐也在建筑工程机械领域被广泛使用和推广。1.2课题产生背景及研究的必要性伴随着产品市场的不断成熟，产品之间的竞争日趋激烈、白热化，厂家产品更新换代周期也随着设计手段、方法日新月异的发展而不断缩短。因此，如果企业要想提高市场竞争力就必须引进先进的设计手段和研发理念，不断努力缩短新产品的研发周期，提高所生产产品的品质，降低产品的故障率和成本，从而快速适应市场需求。依据本课题研究的内容，以传统挖掘机为例，传统挖掘机产品批量的生产开发设计优化步骤如下图1.1所示。开发过程首先是通过生产单件产品的试验来检验所设计产品的运行状况、质量和安全状况等信息，然后再通过制造小批量的挖掘机样机进一步核查结构设计、液压系统设计等是否能达到要求，了解目前我们所设计制造挖掘机的结构、材料方面的缺陷。对挖掘机样机性能进行综合试验、评价后得到改进建议、优化结论可指导设计改进，最终得到能够大批量生产符合市场需求的优质产品。结构设计生产装配样机试验单件产品信息资料产品改进结构改进生产装配样机试验小批量制造投入试用综合意见改进结构定型生产装配样机试用大批量生产投入市场图1.1传统挖掘机产品批量的生产开发Fig1.1Theproductionanddevelopmentoftraditionalexcavatorproductbatch计算机辅助设计技术（CAD）广泛应用于各行各业，并且主流的优化与仿真技术的不断发展也使得计算机应用于分析领域。另外随着机械系统动力学建模理论的不断发展，机械系统动力学计算机实现得以完成，比如是一些功能强大的商-2- 第1章绪论品化机械辅助设计软件的应用使得机械系统动力学参数化数学“软模型”得以很[2]完美的实现。液压挖掘机主要是利用工作装置进行挖掘作业，因此工作装置的安全性、稳定性和可靠性是挖掘机整机质量的重要标志。挖掘机工作装置的挖掘作业主要是通过三个液压缸的复合动作及铲斗对土壤的挖掘作用来完成的，挖掘现场如图1.2所示。挖掘机在挖掘施工过程中的复杂性主要表现为：(1)施工作业条件、工况复杂难以预测。在各种环境的施工场地与危险的建筑场所使用，外载荷大小方向、运动情况难以做出准确判断。(2)在挖掘、平整作业的时候，每一种挖掘作业情况都是由两个甚至多个构件组合完成挖掘作业。(3)在挖掘作业的过程中，工作装置受扭转、拉压和振动冲击等多种载荷的复合作用，且随着施工作业工况、挖掘姿势的不同，挖掘机工作装置所受到挖掘阻力一直在不断发生变化，因而很难确定实时的挖掘力。图1.2正在施工的挖掘机Fig1.2Underconstructionexcavator由于我国液压反铲挖掘机的研制开发较晚、相关理论基础比较差，而目前我国众多的工程机械类生产厂家多使用模拟、仿造的方法进行工作装置结构等方面的设计，即常说的逆向制造方法，缺少自己的核心技术，在材料处理加工、加工工艺、受力分析等技术不过关，因此现场施工作业时常出现受力较大部件断裂失效、待作业区域范围内不能很好的控制动臂斗杆铲斗等问题。这些问题的存在使国产-3- 沈阳理工大学硕士学位论文挖掘机发展缓慢，国内众多用户不愿意选择国产挖掘机，在国内市场中占的份额[3]很小。1.3液压挖掘机发展研究现状最初的挖掘机械主要用来挖掘河道、港口疏浚等，世界上第一台挖掘机是于1835年在美国诞生的蒸汽机驱动“动力铲”，作为现代挖掘机的先驱，被用来修筑铁路、挖河疏浚、铺路奠基等繁重工作。随着时代的进步、科学技术的飞速发展，[6]信息技术、计算机仿真、电子技术等不断应用到液压挖掘机上，为了更多的增加工作装置的施工稳定性和挖掘结构的使用寿命，特别是计算机仿真技术的应用，国内外许多学者在挖掘机工作装置的结构稳定性、静力学安全性分析、变载荷作[4]用下动态特性分析、使用寿命等方面进行了广泛的研究。1.3.1国外研究发展状况作为工业发达国家的美国、日本和德国，其工程机械产品发展非常完善，市场认可度很高、技术成熟、产品丰富且产品线齐全。从20世纪后期开始，挖掘机的基本类型已经得到很好的发展，主要朝着小型化、智能化两个方向研究开发；在已满足基本挖掘施工功能的基础时主要朝着专业特种化、宽领域多功能化方向发展；在保证操作使用性能基础上，向高效率、低耗能、易操作、信息反馈及时、自动化等方向发展。国外的一些学者对挖掘机工作装置的建模、优化、有限元计算开展过比较深入的分析探讨，对于挖掘过程中的动态仿真采用相对先进的手段和算法进行优化设[6]计。对于挖掘机工作装置各个系统现有的一些问题，国外的学者主要做了以下关键技术的相关研究：首先，在2003年，日本的一些学者在液压挖掘机的挖掘系统中引入动力学仿真。动力学仿真分析应用于节能技术上时，使节能技术在与之相关的机械行业中得到广泛的应用。在2005年，美国的LiYing等学者对采矿专用的液压挖掘机做了空间运动学仿真，为挖掘机挖掘工作时的可靠性和装载物料的高效性提供了依据，同时为采矿厂的挖掘装载进度的空间规划提供了依据；在2007年，国外的部分学者关于挖掘机工作装置分别做了系统应力应变分析和施工作业过程中的瞬态-4- 第1章绪论动力学分析。同年，加拿大的一些学者对机械式挖掘机动臂做了疲劳寿命预测仿真分析与试验；在2008年，HuYafei等学者利用计算机模拟仿真样机技术对智能型电铲式挖掘机进行了研究，他们研究的智能型电铲式挖掘机可以在施工作业过程中依据所挖掘对象硬度的变化，自动改变、调节功率输入状态，并在此基[4]础上，利用有限元动态仿真技术研究了动臂在不同受载情况下的应力应变。近几年来，国际上在液压挖掘机的研究生产上除了要满足挖掘机的一些基本功能外，而且液压挖掘机产品性能的研究也追求高效率、低耗能、易操作、信息反馈及时、自动化。主要表现在以下几个方面：（1）研究和改善控制系统，大力发展全液压挖掘机。目前挖掘机的自动控制系统包括多种各领域先进的技术，这些技术使挖掘机的现代化、智能化得到极大提高。（2）注意对“三新三化”研究推广，所谓注重“三新”即新加工工艺、新先进技术、新设计结构的使用，努力研究设法提高“三化”即产品类型系列化、产品尺寸标准化、产品适用范围通用化的发展速度。（3）加大信息化技术与计算机控制技术在挖掘机中的应用程度，同时加强对反铲挖掘机液压系统的持续改进。（4）提高挖掘机操作者使用的安全性、舒适性，增强挖掘施工作业时的保护措施。目前，市场上主流的液压挖掘机，在驾驶室的设计中都安装了可调节弹性座椅、降低噪声干扰的设备、全封闭隔音设备，一些比较先进的全液压挖掘机的驾驶室已经配备了倾翻保护结构和坠物保护结构。（5）采用新的研究分析方法，提高设计结构的稳定性，延长使用寿命与安全性。欧美一些发达国家现在已经使用有限寿命设计理论，放弃了在挖掘机设计上已使用多年的无限寿命设计理论。采用一系列先进的理念和方法来研究结构强度，比如ANSYS有限元法、结构优化设计思想、疲劳损害累积理论等，通过这些方法极大的提高了产品的精度、质量，并减少了生产成本。动态强度设计方面，发达[5]国家现在已经使用瞬态动力学分析方法进行研究，并提出相关理论。1.3.2国内研究发展状况目前国内对液压挖掘机工作装置的研究情况方面的进展如下所述：-5- 沈阳理工大学硕士学位论文（1）液压挖掘机工作装置有限元ANSYS分析与优化。国内在挖掘机工作装置静力学和动力学分析方面一些学者已经做了很多工作；还有一些学者对挖掘机工作装置的各个关键部件，比如大臂、斗杆、铲斗和销轴研究单个部件的静动力学分析；浙江大学的一些学者针对有限元建模和动态特性研究做了大量工作；一些重工企业使用计算机仿真技术对挖掘机动臂的操控协调性和工作装置结构分析[4]做了广泛的研究。（2）液压挖掘机工作装置结构优化的研究。挖掘机工作装置各铰接处铰点位置的性能直接影响工作装置的工作性能，因此一些学者在这方面也做了部分研究。如哈工大机械研究室的相关学者对挖掘机工作装置的连杆摇柄机构使用“复合形法”，对铲斗挖掘机构进行了优化；吉林大学的学者孙志广通过构建合理的数学模型，即混合惩罚函数法对工作装置的铰点位置进行优化，得到比较理想的结果，并同时满足了反铲挖掘机工作装置的作业效率要求、挖掘作业范围要求、挖掘力[4]及关键部件受力强度要求。（3）挖掘机工作装置运动控制方式研究。我国一些高等院校的教研室与企业设立的研究院也对挖掘机工作装置运动方式的控制系统做了相关大量的研究，相继进行了基于规则的挖掘机工作装置运动轨迹智能PID方式、基于模糊算法示教[4]再现控制系统法、以及基于知识的挖掘机多模式综合轨迹跟踪控制系统。（4）挖掘机挖掘作业时的运动学、动力学分析。关于挖掘机的动力学、运动学分析，作为理论分析的基础部分，是其它更高级特性研究的必经阶段，因此，国内的学者在这方面做了很多工作，也取得很多的显著的研究成果。比如李杨民推导出来的工作装置动力学基本方程，就是使用多体系统动力学领域中相关知识推导出来；中南大学的张大庆等人研究分析提出的挖掘机工作装置的运动学理论计算模型，就是利用机器人学科的相关理论；还有部分学者利用计算机的虚拟样机仿真技术对挖掘机工作装置在挖掘过程中全程所受阻力的变化情形进行模拟仿[4]真分析。1.4工作装置结构常见的问题挖掘机工作装置的机构设计分析是否得当及最优化问题是关系到整个挖掘机工作好坏和使用寿命的关键问题，因此工程机械行业十分重视挖掘机构的设计是-6- 第1章绪论否合理这个问题。虽然有关于挖掘机工作装置结构特性已经有很多学者在做这方面的研究，但是限于各种生产制造环节或者工厂应用环节中的各种因素的限制，各种研究成果一般很少被生产制造厂家应用于实际生产。工作装置的机构设计不完美、理论分析模型不理想，一般会导致多种施工危险状况的出现。比如工作装置液压系统设计不合理，致使挖掘作业时冲击力很大，使部分结构件出现裂纹进而导致过早的失效，同时可能导致工作装置液压系统的管线、液压缸等出现多种失效现象；另外有时工作装置的结构设计及材料选择不合理，使工作装置自身结构粗笨、重量过重，这样发动机就要耗费很大一部分功率对挖掘机自身做功，不能有效的利用其功率。最后要合理的安排结构、材料、设计、制造等方面之间的[3]关系，使工作装置的工作效率更高。众所周知挖掘机工作装置是各个运动部件以及对应的油缸、销轴、连杆等组成的连杆机构，各个零部件相互之间的运动是通过液压系统控制各个液压缸的伸缩来完成的。挖掘机作业时常见的失效形式基本上涵盖了以下几种：a)动臂撕裂：当挖掘机工作装置操作过快过猛时，动臂容易受到过大的冲击造成动臂底部撕裂。b)斗杆断裂：斗杆在挖掘作业时长期承受较大挖掘力和提升力作用，而斗杆又属于横截面积较小同时斗杆长度较长的杆类零件，因此在斗杆中部易承受很大的弯曲应力，出现杆体变形甚至疲劳破坏。c)销轴过量磨损、断裂：动臂、斗杆和铲斗之间的联接销轴常常会出现过量磨损，磨损的原因有很多，比如销轴的材料选择、销轴受力不均匀、所使用的润滑油的腐蚀。部分销轴甚至会出现断裂，断裂的原因基本上是基于结构的因素和材料的因素。结合以上总结出的在挖掘作业过程中易出现的失效现象和对工作装置机械结构制造的要求，由于上述因素，本人在课题中依据在挖掘作业过程中易出现的失效现象和对挖掘机工作装置机械结构设计要求，从理论上重点研究液压挖掘机工作装置几个问题:①工作装置静力学、动力学和运动学综合分析问题；②工作装置整体集成有限元分析方法；③部件间铰接处联接销轴磨损和轴承设计问题。-7- 沈阳理工大学硕士学位论文1.5本课题的研究意义及研究内容1.5.1本课题的研究意义传统意义上的挖掘机设计方法是利用反复物理成型与试验来确定所设计的系统是否能达到工作要求，这种方法会浪费大量的人力、物力在实物样机的制造与反复实验上。但是随着计算机仿真技术的不断发展，现在的物理样机系统的设计开发中，一般都首先建立物理样机的虚拟模型，利用计算机仿真技术使产品设计方面的缺陷在生产制造之前就被检验出来，并经过进一步的改进，这样就使得企业以相对较低的成本、最短的时间将新产品研发出来并投放到市场。基于计算机虚拟仿真制造分析技术相对于传统设计方法的优点，目前越来越多的生产厂家已经在产品的设计研发、虚拟制造和改进优化中使用计算机模拟仿真制造分析和虚[4]拟制造技术。由于国内挖掘机制造企业在相关结构的设计中多采用类比模仿的方法，这样使得挖掘机在作业时常出现铰点处销轴过早发生断裂、斗杆或动臂断裂失效等相应故障。因此人们越来越明白的认识到必须对液压挖掘机工作装置进行全面的仿真、优化、分析，并且要辅助以试验来验证设计的合理性，从而使产品质量得到改善，提高客户对国产液压挖掘机的认可度。挖掘机整机先进性主要体现在工作装置的施工作业安全性和稳定性。目前虽然很多学者对挖掘机工作装置展开了较为广泛的研究，但是在研究成果上仍然存在一些不足：①进行仿真研究的动力学仿真模型主要采用虚拟样机技术建立，很少有学者文献建立关于机械结构强度ANSYS有限元分析的动力学模型。②对挖掘机工作装置的动态性能研究较少，比如工作装置的固有频率、振型、动强度、瞬态冲击等。③学术界对液压挖掘机在施工作业范围内的多种相对危险工况的有限元分析较少，主要都是集中为几种常见工况姿态的结构强度校核。而本文首先完成挖掘机机身、行走装置、工作装置三维几何模型的构建，然后对工作装置五种比较典型、危险的工况做了有限元分析，有限元分析主要包括静力学分析、模态振型分析、变载荷下的瞬态动力学分析，并对有限元计算结果展开了验证。为生产厂家在挖掘机设计制造上提供了的参考价值和理论依据，对于有限元分析结果不理想的部位给出相关建议并展开优化分析，对挖掘机行业的设计能力和发展水[5]平有着积极的意义，对增强建筑工程现场的施工质量有着重大的实际意义。另外，在过去挖掘机系统的设计时，因为设计手段和相关技术的限制，一般就-8- 第1章绪论使用静态分析模型来计算工作装置的尺寸参数，并根据以往已有的经验来选择相对合适强度和可靠性的安全系数。而本课题利用ANSYS分析软件对挖掘机工作装置整体结构进行模态分析、瞬态动力学分析，得出工作装置整体结构的振型和频率，避免了挖掘机结构设计时固有频率和外界载荷激振频率接近，防止了共振危险状况的发生，为之后相关的工程机械的设计提供了参考。1.5.2课题研究的主要内容像大多数工程机械一样挖掘机工作装置的工作环境复杂恶劣，载荷变化大、挖掘作业对象复杂，因此如果想比较系统的研究挖掘机工作装置在各种危险工况下各个动态参数的变化，就必须在挖掘机物理样机上装备各种检测仪器，以检测挖掘机物理样机在不同危险挖掘工况下的参数。但是在实际试验时，对机构装置的破坏性一般较大，同时为了提高研究结果的可靠性，就需要多次反复试验，这样在无形中就使设计成本大大提高，也延长了设计周期。本文以XE135B型液压挖掘机工作装置来作为研究对象，在总结已有学者关于液压挖掘机工作装置的研究成果上，针对挖掘机在挖掘作业时实际存在的问题，针对性的将计算机仿真分析与实际工况相结合，对其工作装置结构特性做了了一定的研究。本论文将从以下几个方面展开：a)根据实际施工情况正确选取挖掘机的不同挖掘姿态，并用三维绘图软件Pro/E绘制建立挖掘机三维几何模型；b)将建立完成的工作装置导入到ANSYS中并对其进行参数定义、划分网格，并选取对挖掘机工作装置性能影响显著的危险工况进行静力学分析、模态分析、瞬态动力学分析，利用所得到的计算结果文件来验证设计尺寸参数是否正确；c)对铲斗垂直入土挖掘的外界载荷激励过程进行瞬态动力学分析，观察在时间历程后处理器中的结果，以得出在动态外力作用下挖掘机的性能及使用效率。-9- 第2章挖掘机工作装置结构设计2.1XE135B挖掘机结构简介本课题选择的XE135B型挖掘机是徐工根据市场需求，引进国外先进技术结合国内最新技术独立开发的产品，该机型在国内外受到一致好评。因其充分考虑了使用安全性、操作灵活性，另外基于人性化的考虑了操作者的操作舒适性。因此，为了以后工作的方便，本文选取了徐工该型号的挖掘机作为研究对象，本文以后所提到的挖掘机如无注明，均指XE135B型挖掘机。图2.1XE135B型挖掘机Fig2.1TheexcavatoroftypeXE135B下表所列为XE135B型液压挖掘机相关参数：-10- 第2章挖掘机工作装置结构设计表2.1XE135B挖掘机参数Table2.1XE135Bexcavatorparameters基本参数数值整机工作重量（Kg）138003铲斗容量(m)0.4—0.52发动机额定功率（Kw/rpm）69.6/2200铲斗挖掘力（KN）85斗杆挖掘力（KN）65最大牵引力（KN）134动臂长度（mm）4600斗杆长度（mm）2510最大挖掘深度（mm）5538最大垂直挖掘深度（mm）4727最大挖掘高度（mm）8641最大卸载高度（mm）6181最小回转半径（mm）2335如图2.1所示，XE135B挖掘机是由机械系统、液压系统、控制系统组成一个有机整体。本文主要研究其机械系统和液压系统。液压挖掘机的机械系统部分是[1]完成挖掘机各项基本动作的直接执行者。主要包括工作装置、回转装置、行走装置构成的。回转平台装置：回转平台机构是用来使回转平台旋转的机构。包括驱动装置和回转支撑。一般情况下，挖掘机回转运动占整个作业循环时间的比重很大，因此，[7]回转机构对提高挖掘机的效率影响较大。行走驱动装置：履带行走装置是整个挖掘机的支撑部分，承受挖掘机的整机重量和操作重量，同时承担着挖掘机的短途行走功能。目前，行走装置为适应不同地形，主要分为轮胎式和履带式。工作装置：是挖掘机实现挖掘作业的主要执行部件。执行挖掘施工作业的工作装置分为正铲结构和反铲结构，同时根据作业要求，也可以更换起重装置、装载[8]装置、松土装置、抓斗等工作装置。而本文研究的反铲机构装置是应用最广的一-11- 沈阳理工大学硕士学位论文种装置。2.2液压挖掘机工况分析液压挖掘机挖掘作业循环过程分为以下几个方面：①动臂升降②斗杆收放③铲斗装卸④转台回转⑤整机驱动行走。一般挖掘机的挖掘过程为：挖掘机移动至作业位置→转台转动至使工作装置处于挖掘位置→动臂下降，操作控制阀使斗杆、铲斗至挖掘位置完成挖掘作业→动臂升起→转动回转平台至卸载位置→操纵控制[9]阀使斗杆、铲斗完成卸载。因此，根据液压反铲挖掘机的一个挖掘循环过程，可以分为以下几个挖掘工况：a)挖掘：一般是操纵铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或者是两缸复合动作进行作业。因此，挖掘过程主要是铲斗和斗杆的复合动作，再根据挖掘情况配合动臂动作。b)满斗举升回转：挖掘作业完成后，操作动臂油缸使动臂上升，以便于铲斗满斗升起，配合操纵回转马达使挖掘机转台转向至物料堆积区。该过程是动臂升起和转台回转的复合运动。c)卸载：工作装置转到物料存放区时，回转液压马达停止运动，利用斗杆油缸和铲斗油缸的复合动作，完成物料的卸载，同时如果斗杆油缸不足以调节卸载半径，需要动臂油缸的相应动作。一般是操纵铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或者是两缸复合动作进行作业。因此，挖掘过程主要是铲斗和斗杆的复合动作，再根据挖掘情况配合动臂动作。d)空斗返回工况：物料卸载完成后，回转液压马达反向动作，动臂油缸回缩和斗杆油缸调节挖掘半径，把铲斗移至作业位置。该过程是回转马达、动臂和斗杆的复合动作。e)整机移动工况：控制行走装置将挖掘机运动到需要的挖掘位置。由于液压反铲挖掘机在工作时，外界条件的复杂多变及针对不同的地形需要采用不同的挖掘位置。因此本文主要是研究液压挖掘机的挖掘工况过程中的几种典[10]型挖掘工况，以验证挖掘机工作装置的安全性和可靠性。2.3挖掘机工作装置的设计及要求液压挖掘机作为室外作业工具，其工作环境复杂多变，工作装置作为主要的执-12- 第2章挖掘机工作装置结构设计行组件是由动臂、斗杆以及铲斗三部分组成。这些部件的复合动作复杂多变，需要经常运动、停止、改变方向，工作条件难以预测，外部载荷变化明显。因此，基于安全性、可靠性的考虑，对挖掘机工作装置的结构、强度有较高的要求。设[3]计需要满足以下要求。2.3.1运动配合和动力特性要求液压挖掘机的各种运动工况的复合动作要求如下表2.2、2.3所示。表2.2各部件单独动作的动力需求表Table2.2Tablepartsseparateactionofpowerdemand部件运动工况功率需求速度变化铲斗正转挖掘大不大铲斗反转卸载不大不大斗杆正转挖掘大大斗杆反转姿态调整不大较大动臂提升举升、调整姿势较大大动臂下降挖掘、辅助挖掘不大比较大行走工况调整作业位置大大回转运动挖掘、卸载转位大大表2.3常见复合动作及要求Table2.3Commoncompositeactionandrequirements复合动作工况对挖掘机系统的要求动臂下降+回转转向作业位置载荷变化，速度变化大动臂上升+回转操作转向卸载位置速度变化大，功率需要大斗杆转动+动臂上升平整作业液压系统操作平稳可靠铲斗翻转+斗杆转动多工况作业功率大，速度变化大铲斗翻动+斗杆外伸物料卸载功率动力需求较小由上表我们可以明确挖掘机各个运动工况的动力需求情况。2.3.2工作装置的静强度和动强度要求-13- 沈阳理工大学硕士学位论文挖掘机长期在环境比较恶劣的情况下作业，作为挖掘机的主要执行部件，工作装置承受着变化的外力，即挖掘作业时受阻力使工作装置的内应力变大，卸载时外载荷减小而使工作装置内应力减小，最终导致工作装置发生疲劳破坏。因此，我们需要在工作装置各运动部件最大受力和变形时，确保工作装置的结构特性、刚度均不超过许用范围。在设计工作装置时为了减小疲劳破坏，需要尽量去掉部件之间的焊接和变形，这样不仅可以增大机构的强度刚度，而且减少了工作装置的生产制造时间。首先，要求动臂与机身铰接处及动臂油缸焊接在机身的位置应该是一整块钢板，这样不单可以增加各部件的强度，也可以减少因为焊接而出现的变形；其次，斗杆在挖掘时受力最大，需要使用特殊结构进行生产制造。同时在生产中尽量多是使用型钢、角钢等，这样可以减小因为焊接而出现的危险工况；最后，在工作装置各部件设计中为了达到等强度设计原则，需要在局部位置采取加强筋等措施。为了提高安全性，各部件等部件尽量采用焊铸结构，在容易产生应力集中的位置（比如拐角）使用铸造生产，能够很大程度的增大工作装置各部件的安全性。另外，焊接件的静动强度不容易满足要求，所以在结构的铰接位置均使用铸钢件。工作装置各结构的损坏主要为由于往复循环作用，因此结构发生破坏的位置不在外力最大处，而是循环应力比较集中部位（比如拐角）。为提高工作装置的安全性，应该使焊接处理不在应力集中位置，并在各个铰接部位使用铸钢件制造。2.3.3经济性及其他性能要求液压挖掘机经济性的衡量指标很多，包括能量指标、维修周期指标、挖掘机寿命指标、作业循环时间指标和维修耗费指标、操作舒适性便捷性指标等。首先，挖掘单位土方所消耗掉能量对于评价挖掘机有很大的影响，相对于挖掘机整机而言，工作装置的重量和价格都不是很大，考虑到效率和经济性，能量指标可以作为很重要的参考标准。当液压挖掘机满足能量指标时，该工作装置也足够满足实际作业需求。综上可知，当挖掘机满足能量指标时，工作装置的挖掘力、重量、挖掘作业速度也满足需求。其次，提高挖掘机效率的另外一个因素是整个挖掘工作循环时间。而一个完整挖掘作业历程包括①挖掘过程时间、②履带行走时间、③倾倒物料时间、④履带行走返回作业点时间。①挖掘过程时间主要决定于操作人员熟练程度，超速挖掘会使发生危险事故的-14- 第2章挖掘机工作装置结构设计几率增大。②减小行走和返回到工作面时间，可以采取在保证安全的情况加快速度和使用小的回转角。但是回转角也不能过小，回转角过小时发动机输出功率不能充分利用，使其功率造成浪费。③卸载物料时间决定于所装载的物料粘性和铲斗形状。当土壤的板结程度、粘性比较大时，卸载时间一般比较的长。另外，液压挖掘机作为非单一功能机械，还需要满足其他的一般功能要求。首先，通过更换相应的零部件（比如为实现开山劈石所用的振动破碎头）实现挖掘机零部件的通用化、标准化和组件化，可以极大的降低挖掘机的制造成本；其次，通过优化改善各零部件的结构来提高其工作可靠性、安全性和耐久性，以满足液压挖掘机的各种工作环境；最后，随着经济发展建设的步伐加快，关于液压挖掘机作业过程中环保性的问题越来越受到重视，所以要求挖掘机应降低振动和噪声。2.4挖掘机工作装置三维实体模型的建立XE135B型挖掘机为反铲装置，包括动臂及其相应油缸、斗杆铲斗及其相应油缸、销轴等，各部件之间通过铰接连接在一起，通过各个液压油缸实现动臂、斗杆和铲斗的动作，完成作业要求。为了实现动臂和斗杆的等强度设计，同时节省材料并减少结构的重量，该部件的结构均是采用16Mn钢板焊接而成的变截面箱型结构，采用该种结构能够达到较好结构要求、寿命要求。2.4.1三维软件的选择当今世界市场竞争激烈，在众多的三维造型软件中，Pro/E、UG是应用最为广泛的两个三维设计软件。UG软件的优势体现在造型功能强大，更适用于设计复杂[1]的曲面建模，它广泛应用于中小型企业中。Pro/E三维设计软件在工业产品外型设计、生产制造仿真、ANSYS分析、产品三维运动模拟、部件间相互配合关系等方面都存在着广泛的应用。Pro/E是基于特征化、参数化的三维设计软件设计软件，它根据用户定义的模型尺寸来完成设计，可以方便的修改设计模型尺寸。同时Pro/E所有操作过程都使用相同数据库，使产品的设计、试验、生产统一于一体。因此，Pro/E在制造工业中被器重，是CAD/CAM/CAE领域中的佼佼者，且在模型建立方面容易上手。基于Pro/E的以上优点，并且考虑到挖掘机工作装置的结构比较复-15- 沈阳理工大学硕士学位论文[11]杂，故本课题采用Pro/E三维造型软件对工作装置进行建模。Pro/E的主要特点有：a)统一的数据库Pro/ENGINEER所有模块使用单一的数据库。通常所说的单一数据库就是指每一位绘图者在使用软件为产品造型时，所使用的资料来自于一个工程中。也就是设计时使各个设计流程完全相关，可以在设计时将单个环节的修改应用到这个产品上，亦可以被整个设计过程的其他相关环节所接受。避免了各个环节之间由于数据库的不同而造成的不协调问题，大大的提高了生产效率。b)参数化造型Pro/ENGINEER产品设计时基于特征的，也就是指在生产制造过程中对产品的操作后得到的结果。这样一般的工程技术人员只需要设定相关参数就可以快速建立模型，并可以反复修改直到符合要求。在软件中基于特征的操作建模和实际的车间制造结合在一起，大大的提高了工程人员的使用效率。c)装配管理利用Pro/ENGINEER操作界面里的装配功能可以快速地将零件装配起来。根据操作面板上直观的操作命令，并结合零件上的参考面、点、轴线，可以方便轻松地实现设计意图。然后利用模块提供的相关运动副可以使装配体实现运动仿真，得到相关运动参数。d)强大的工程分析能力作为Pro/E的一个独立工程分析模块，Pro/Mechanism既可以和Pro/E嵌套使用，又可以独立的使用，Pro/Mechanism主要用来对结构进行静力学分析、动力学分析、疲劳分析、震动分析，该模块可以帮助设计者找到模型中的危险位置以便改进设计，提高产品的安全性和耐用性，避免许多设计中的缺陷。通过分析软件工程很大程度的增加设计效率和经济性。2.4.2模型的简化处理在利用建模软件建立研究对象的仿真模型时，为了仿真分析和有限元计算能顺利得到结果，根据工作装置的结构特点和运动特性，在不影响结构安全和稳定性的前提下，应根据实际情况对该模型进行一定的简化。比如忽略销轴、运输吊耳等对整体影响不大的结构；忽略铲斗两侧钢板、下板及各部件的小孔，因为这些-16- 第2章挖掘机工作装置结构设计小孔对有限元网格划分产生了很大的困难，并且这些小孔对构件的应力分布影响[11]可以忽略。2.4.3模型的建立由于动臂、斗杆和铲斗均采用箱形中空机械结构，结构使用的材料为强度较好的钢板。动臂液压缸的控制，来驱动与机身转台铰接的动臂运动。斗杆油缸的伸缩控制斗杆的运动，斗杆铰接在动臂前端。斗杆的另一端与铲斗和摇杆用销轴连接在一起。铲斗的转动通过铲斗液压缸的伸缩来控制，其中摇杆的使用可以有效增大铲斗转动角度。另外对于在铰接处连接的极易磨损的销轴，均采用经过特殊处理（如淬火）的合金钢制造，这样基本可以满足使用。为了减少各个部件对液[8]压油缸的冲击，在液压油缸铰接处均布置有限位块。2.4.3.1动臂模型的建立徐工XE135B型挖掘机的动臂结构是整体式弯臂，在中间过渡位置采用大圆弧结构以使应力分布均匀。动臂主要由上下盖板、左右侧板以及筋板焊接而成。上下盖板采用16mm厚，左右两侧的侧板由两块12mm厚的16Mn钢板通过焊接而成，动臂整体为变截面箱型结构，另外为了增加动臂的强度，在弯臂处有隔板，使可以使动臂的强度、刚度满足较高的要求。动臂与机身转台、动臂和动臂油缸、动臂和斗杆均采用销轴铰接，通过液压缸的运动控制来完成动臂运动和斗杆绕动臂的旋转动作。动臂的零件图如下图2.2所示。图2.2动臂零件图Fig2.2Themovablearmdrawing-17- 沈阳理工大学硕士学位论文根据图2.2的零件图绘制三维模型如图2.3所示。图2.3动臂模型Fig2.3Themovablearmmodel2.4.3.2斗杆的三维模型挖掘机斗杆同样使用变截面箱型结构，这样就可以实现等强度设计；而且由于斗杆液压缸的力臂比较大，所以在斗杆与动臂、斗杆与斗杆液压缸铰接处所受的力均比较大；另外，在实际作业时，斗杆挖掘工况时斗杆是直接受力部件，受到严重的冲击作用；因此，基于安全因素的考虑，对斗杆的强度要求很高。斗杆模型的绘制根据其零件图上的尺寸绘制而来，斗杆零件图如图2.4所示。1.螺栓；2.平垫圈；3.弹簧；4.销；5.定距环；6.垫片；7.斗杆图2.4斗杆零件图Fig2.4Thebucketroddrawing-18- 第2章挖掘机工作装置结构设计XE135B挖掘机斗杆主体框架是由上、下盖板和左、右侧板焊接而成。每块板间的焊接形式为斜线焊接。另外斗杆与铲斗、摇杆联接的轴座均与箱型框架焊接。斗杆的三维模型如图2.5所示。图2.5斗杆模型Fig2.5Armmodel2.4.3.3铲斗的三维模型33查阅相关资料知本文所研究铲斗的容量为0.4m—0.52m，结构比较复杂，由于铲斗作业时和作业对象直接接触，工作条件复杂恶劣，对铲斗的材料、结构刚度、使用寿命能有很高的要求。为了降低铲斗的使用成本，对斗齿采用标准件，这是因为铲斗挖掘作业时为了更好的切削土壤，在铲斗底边安装有斗齿，由于其作业条件恶劣，斗齿较容易损坏，因此斗齿采用标准件。同时为提高铲斗整体的强度、刚度，将加强筋沿斗体的纵向焊接在斗壁的外侧，将加强板焊接在斗内壁与侧板之间。根据铲斗零件图并参考以上所述，建立三维模型如图2.6、2.7所示。-19- 沈阳理工大学硕士学位论文图2.6铲斗零件图Fig2.6Bucket2dCADmodel图2.7铲斗模型Fig2.7Bucketmodel2.4.3.4工作装置的装配本文选择上部机身作为装配过程的初始零件，将上部机身零件导入装配环境后使用缺省选项将上部机身的位置完全固定。然后将各个部件按照实际工作时的约束关系，利用Pro/E中的匹配、插入、对齐、曲面上的点和边、线上点等对应的联接关系，将其装配到一起来完成整个挖掘机的装配。在根据上面所述方法完成装配后，由于各种原因各部件之间存在干涉现象。利-20- 第2章挖掘机工作装置结构设计用Pro/ENGINEER软件中的全局干涉工具，可以快速便捷的发现有干涉现象的部位及干涉量的大小。经过检验，本文模型中零部件之间没有干涉的存在，最终完成XE135B型挖掘机装配模型如图2.8所示。图2.8工作装置装配模型Fig2.8Workingdeviceassemblymodel2.4.3.5挖掘机整体的装配挖掘机施工作业是以一个整体来工作的，挖掘机一般分为控制系统、液压系统、机械系统等，因此各个系统的性能直接影响到系统之间的配合度，进而影响挖掘机整机的正常工作。液压挖掘机的各项挖掘工作的直接执行部件是机械系统部分，机械系统是由各个装置相互配合、作为一个有机整体完成的，包括：行走驱动装置、转动平台回转系统、工作装置。a)行走驱动装置主要适用于短途行走驱动，很少出现行走危险工况，位于挖掘机的底部承受挖掘机挖掘作业的反力和整机的全部质量，其寿命、安全性基本能满足工作要求，一般不会影响挖掘机整体使用；同时为适应不同地理条件使用，主要分为轮胎式结构和履带式结构。-21- 沈阳理工大学硕士学位论文b)转动平台回转液压系统包括回转支撑结构和液压驱动结构，转动平台的转动主要用于由一个挖掘点转动到另外一个卸载点，可以使挖掘机工作装置和机身o部分在中央回转马达的驱动下，围绕中央做360的回转运动，不需要使用行走驱动转向到达卸载点，转动平台的转动和行走驱动系统的配合使用可以极大的提高工作效率。c)作为挖掘最重要的系统—工作装置，是挖掘机直接和作业土壤、对象发生实际作用的机构，其使用寿命、安全性、挖掘效率的指标，直接对挖掘机整机产生极大的影响。在挖掘作用的过程中，工作装置直接和作业对象接触作用，由于挖掘工况千变万化、作业环境极其复杂恶劣，工作装置是最容易出现损坏的部件。因此，需要针对工作装置做集成有限元优化分析。同时更换不同的工作装置，可以实现不同的功能，比如钻孔机构、破碎机构、起重机构、反铲推土机构。根据CAD零件图，利用三维软件绘制的完整挖掘机结构图如图2.9所示。图2.9挖掘机整机三维模型Fig2.9Excavatormachineassemblymodel2.5典型工况下挖掘姿态的选取挖掘机的动臂、斗杆、铲斗相互配合，可以配合出千变万化的姿态，其受力也是时刻发生变化的，因此我们选取具有代表性的几个工况进行分析。-22- 第2章挖掘机工作装置结构设计依据参考文献“液压挖掘机结构强度试验方法”，可以对工作装置在挖掘过[3]程中的运动分为为5种典型工况：①工况一即挖掘入土的初始状态，此时挖掘阻力最大，动臂和斗杆的液压缸均以最大作用力臂工作,且此时动臂与斗杆铰接处、斗杆与铲斗销轴铰接处、铲斗中齿尖三点位于同一直线上。此时的外部阻力为自身重力和切向力，如图2.10所示。②工况二即铲斗垂直入土后，横向挖掘过程的初始状态。在此工况下，动臂液压缸作收缩运动，动臂下垂至机身水平面下，铲斗液压缸当量力臂最大，斗齿尖、铲斗销轴铰接处、斗杆销轴铰接处三点依然处于一条直线上。该工况下的载荷为自身重力、侧板侧向力和切向力，如图2.11所示。③工况三即铲斗横向挖掘过程的终止过程。此位置时，动臂也位于机身水平面下，此时，斗杆液压缸所施加的作用力对动臂与铰点的作用效果最大，斗齿尖、铲斗销轴铰接处、斗杆销轴铰接处三点依然处于一条直线上。此时的载荷为自身重力、侧板侧向力和切向力，如图2.12所示。④工况四即铲斗被向上提升的初始过程。在此工况时，动臂液压缸和斗杆液压缸以最大力臂工作,铲斗液压缸以最大当量力臂工作。此时的外界阻力为自身重力和切向力，如图2.13所示。⑤工况五即工作装置铲斗被向上提升至最高点。此时，动臂液压缸伸至最长，斗杆液压缸全缩，铲斗液压缸伸至最长,铲斗处于即将卸载的位置。此时载荷为工作装置自重、物料重力与液压缸惯性制动力矩，如图2.14示。图2.10工况一图2.11工况二Fig2.10Condition1Fig2.11Condition2-23- 沈阳理工大学硕士学位论文图2.12工况三图2.13工况四Fig2.12Condition3Fig2.13Condition4图2.14工况五Fig2.14Condition5将在Pro/E中装配完的装配体使用Pro/Mechanica模块设置为所需要研究的工况，然后对相应工况进行研究。通过选取的最易损坏工况作相关静力学分析研究,然后使用有限元分析软件ANSYS对其进行安全性分析和疲劳分析，这样如果该工况满足实际工作要求，那么其余工况也将满足安全要求。工况1时动臂液压缸和斗杆液压缸所发挥的拉力和压力都达到峰值，为工作装置的最危险工况，各个部件容易发生疲劳损坏。2.6本章小结(1)本章根据挖掘机作业对象的复杂性，对运动工况进行了全面的分析。-24- 第2章挖掘机工作装置结构设计(2)根据挖掘机挖掘工况的复杂性及作业条件的恶劣性，阐述了挖掘机工作装置在结构强度、经济型、几何尺寸等方面应该满足的要求，为液压挖掘机的工作装置研究设计、生产制造提供了依据。(3)本文采用Pro/E三维软件建模，先对挖掘机工作装置各个零部件分别建模，再利用Pro/E软件的装配连接功能得到挖掘机的三维模型。(4)参考相关文献对挖掘机整个作业过程中的五种典型挖掘姿态进行模拟，并分析出各种姿态下的外加载荷。-25- 第3章挖掘机工作装置静力学分析3.1工作装置挖掘阻力分析挖掘机挖掘阻力的确定，应该尽量使用能充分反应不同挖掘过程对挖掘阻力的影响，同时使用的挖掘规律也要考虑到各种外界因素对挖掘阻力的影响。当然，最好的挖掘效率应该是挖掘机动力系统时刻提供的功率与挖掘土壤所需要的功率保持一致，这样既能完成挖掘作业任务，又能不造成挖掘机功率的浪费。基于以上所述，参考文献[11]，该文献详细论述了铲斗挖掘大曲率切削试验，并总结出铲斗挖掘切削阻力公式。该公式包含多种影响因素，包括土壤情况、铲斗结构（斗[11]齿齿数、斗容量、壁厚）、切削角度等因素的影响。工作装置铲斗挖掘阻力切向分力如式3-1所示：.135cosmaxW1CR1BAZXD（3-1）cos()max施加外界载荷时，应当按照平均挖掘阻力施加，其为WW70%—80%W（当时，得到W）（3-2）1maxmax1max工作装置斗杆挖掘时斗杆掘阻力切向分力如式3-3所示：.135WCR1cosBAZXD（3-3）1max图3.1铲斗挖掘阻力示意图Fig3.1Bucketdiggingresistance-26- 第3章挖掘机工作装置静力学分析式中：W1-----挖掘机整机挖掘阻力；C-----挖掘作业对象（土壤）的硬度系数，不同的作业硬度有不同取值；R-----铲斗切削半径，即斗杆与铲斗铰接销轴处铰点和铲斗斗齿齿尖距离；-----铲斗入土时铲斗转角的二分之一，如图3.1所示；maxφ-----铲斗挖掘入土时的即时转角；B-----铲斗切削刃宽度影响系数(B1.126b,b为铲斗切削刃平均宽度)；A-----工作装置挖掘入土切削角变化大小影响系数，A=1.3；Z-----铲斗斗齿系数，Z=0.75；D-----挖掘入土时主切削刃挤压土壤力的大小，一般D=5000～8000；X-----工作装置铲斗侧壁厚度影响系数（X1.126s,s是铲斗侧壁壁厚）。综上所述，当选取工况一作为静强度分析典型工况时，土壤选择为二级，C=60，A=1.3，Z.075，D6000，并测量铲斗切削刃宽度b，斗杆与铲斗铰接销轴处3的铰点和铲斗斗齿中齿尖距离R，代入式（3.1），得W=6.0810KPa。3.2有限元模型的建立建立挖掘机工作装置的有限元模型是整个分析过程中最基础也是最重要的步骤，对后面的计算分析可以产生直接的影响。3.2.1Pro/E和ANSYS的无缝连接首先在程序安装列表找到ANSYS程序图标，选择ADMINUtility按钮,选择configurationoptions,再选择configureconnectionforPro/E按钮,再输入Pro/E的软件安装路径，点击“连接”，此时Pro/E和ANSYS的接口连接设置已经完成。双击打开Pro/E中已建好的模型可以看到在工具栏中出现ANSYS10.0选项，说明连接设置已经成功，此时单击ANSYSGeom按钮，直到自动调用并打开ANSYS，此时点击工具栏Plot选项中的volume，这样在三维软件中建立的三维几何模型就自由地导入ANSYS中，避免了在几何模型导入ANSYS过程中特征元素[13]的丢失。在有限元分析软件ANSYS中打开创建的工作装置有限元模型如图3.2所示。-27- 沈阳理工大学硕士学位论文图3.2挖掘机工作装置有限元模型Fig3.2Excavatorworkingdevicefinitemodle3.2.2材料属性的定义和单元类型的选择工作装置的动臂、斗杆等板件是由厚度不同的16Mn钢板通过焊接完成。而16Mn钢具有很好的材料属性，其切削性、冷冲压性能、低温韧性都可以满足工作条件需求，缺口敏感性相对于碳钢比较差。广泛应用于大起重作业及矿山机器、[11]造船业、发电站及承受交变载荷等的焊接结构中。其材料属性见下表3.1。表3.116Mn材料属性Table3.1Thematerialpropertiesof16Mn抗拉强度（MPa）许用应力（MPa）泊松比弹性模量密度（kg/m3）510～6603450.32.06*1057800因为ANSYS软件在自动分析过程中没有默认统一的的单位，所以我们所有相关单位都要划归为统一，本模型在使用Pro/E软件建模时长度单位使用mm，质量3的单位使用Kg，弹性模量的单位使用KPa，密度的单位采用Kg/mm，做仿真分析时载荷力的单位使用mN。这样一整套单位都统一后就不会出现单位混乱的情况了。因为挖掘机工作装置的各个部件是由16Mn钢板通过焊接完成，并且其空间结构不规则，因此相关部件在有限元模型网格划分时，单元类型使用实体单元Solid45。Solid45实体结构如图3.3所示。液压缸的简化模型使用杆单元Link8进行模拟，这种单元可以用来模拟工程中-28- 第3章挖掘机工作装置静力学分析的连杆、绳索、杆件、桁架等，和在铰接结构中表现相同，Link8单元不能承受弯矩。图3.3SOLID45单元的几何模型Fig3.3ThegeometricmodelofSOLID45unit3.2.3模型的网格划分划分模型网格作为有限元分析中最重要的一步，其质量好坏对求解的计算结果有很大影响，划分质量不合要求的网格会使分析结果很差甚至求解失败。因此划分模型网格要采用相应的一些原则：a)有限元单元网格划分的越细、计算节点设置的越多，对计算机的计算能力及计算速度要求的越高，并且运算时间将按节点总数的三次方的速度均匀增长。因此，应根据工况条件及安全性需求合理选择划分网格的数量；b)在结构分布合理、应力分布均匀区应该粗率划分网格，在拐角、倒角等应力分布集中和外力施加处应该比较细致的划分网格；c)为了得到较理想的计算时间和较好的计算结果，应该使网格单元的各边长相差不宜过大。另外，划分的各个网格单元的大小不宜急剧改变，应该使单元的大小从大到小逐渐变化，这样可以增大其附近应力分布的精度。ANSYS根据用户需求设置了相应的网格划分的方式，有映射网格划分、智能网格划分。映射网格划分严格要求网格的尺寸、并且网格排列方式也有规定，通过指定单元网格边长、网格数量等参数进行控制，所以只适合规则的结构、图形，-29- 沈阳理工大学硕士学位论文对于结构不规则的实体模型则难以控制。自由网格划分既没有约定单元网格的尺寸，也没有规定排列方式，根据自己内部的计算机制自动生成符合计算要求、形状合理的单元。本文分析的是挖掘机工作装置这样一个复杂的装配体，因此首选自由网格划分方式。对于尖角、孔等一些划分不理想的部位，则采用映射网格划[11]分。根据上述方法生成的工作装置有限元模型的单元总数为118642，节点总数为31768，图3.4是挖掘机工作装置网格划分完的有限元模型。图3.4工作装置有限元模型Fig3.4Thefiniteelementmodelworkingdevice3.2.4边界条件及外载荷的施加有限元模型上边界条件必须要满足：施加完约束的模型不会出现刚体位移。为了保证该模型构件与在现实环境中自由度一致性，结构不出现刚体位移，因此在模块间粘接时，对零部件间接触的移动副和转动副等铰点采用刚性连接，以便于固定模块间的相对位置。动臂、动臂液压缸通过铰接的方式同回转平台联接在一起，因此它们均在销轴铰接部位进行全约束，但Z轴方向转动的约束除外，以此[12]来代替工作装置绕销轴铰接点转动。在此工况下，外载荷主要是工作装置自身重力和垂直于铲斗齿间的切向力，其中切向力主要作用在铲斗中齿齿尖上。根据上一章中关于挖掘阻力的计算分析，3得出其切向力为6.0810KPa。重力场的施加利用惯性载荷的方式，施加一个和重-30- 第3章挖掘机工作装置静力学分析力指向方向相反、大小一致的加速度。具体载荷施加方向和施加点如图3.4所示。3.3工作装置在静载荷作用下的有限元分析3.3.1静强度分析[4]工作装置在工况一时，动臂液压缸、斗杆液压缸上的作用力均达到峰值。图3.5为施加铲斗切向作用力和工作装置自身重力时，利用有限元分析法得到的工作装置应力云图。由图中可知，动臂、斗杆、铲斗均未出现最大应力，此时，动臂[3]油缸和斗杆油缸出现的最大应力为140.2Mpa,小于该材料的许用应力。因此，在重力和切向力综合作用下有限元分析得到的整体应力结果分布如图3.5所示。（a）(b)(c)图3.5工作装置整体应力分云图Fig3.5Theoverallstressdistributionnephogramworkdevice从上图我们可以得出动臂、斗杆的应力分布结果。从工作装置整体来看，应力最大的部位为动臂液压缸和斗杆液压缸销轴铰接处，动臂的下板位置处也有较大的应力。具体数值如表1所示。-31- 沈阳理工大学硕士学位论文表3.2工况一的应力分布表单位：MPaTable3.2Thestressdistributiontableoftheworkingconditionone动臂油缸铰接斗杆油缸铰动臂顶端耳应力位置动臂下侧板动臂处接处板处应力值14580>7272～145斗杆油缸铰接应力位置斗杆其余位置处斗杆支座应力值70～14536.135～72由上表可以看出，虽然有部分位置出现应力相对较集中现象。对于挖掘机整体工作装置而言，通过分析可知在此综合载荷作用下，应力值分布的范围为36MPa～145MPa，据此可知此时工作装置在外载荷作用下并没有出现超过许用应力的现象，此时的结构设计是合理的。但是对于焊接位置处易出现应力集中，因此要格外注意零件间连接部位的焊接工艺。3.3.2变形分析在已有的对工作装置各个部件单独进行ANSYS分析中，无法从挖掘机整体的角度来分析整体的变形，以往研究中都忽视了部件之间相互影响导致的变形。本文以计算工况一为例，分析在工况一综合载荷作用下的整体变形。工作装置此时[14]受垂直于齿尖的切向力和自重的综合作用下，其变形的分布状态如图3.6所示。（a）(b)图3.6重力和切向力作用下的变形云图Fig3.6Undertheactionofgravityandtangentialforcedeformationnephogram如上图3.6所示，在重力和铲斗切向力综合作用下，挖掘机工作装置的最大变形位移发生在铲斗齿尖位置处，并且最大的变形位移量为41.4mm。由上图3.6变形图的分析可以得知，变形比较大的位置位于斗杆的下部和铲斗-32- 第3章挖掘机工作装置静力学分析的前端，应力较大位置处的应力云图如图3.7所示。图3.7重力和切向力作用下的局部变形云图Fig3.7Undertheactionofgravityandtangentialforceoflocaldeformationnephogram3.4铰点联接问题探究我们所研究的挖掘机工作装置的各个部件是通过销轴铰接联接，而销轴联接问题历来是挖掘机工作装置设计的难点。因此本文在此铰点联接问题进行一定的探讨。3.4.1有限元分析中铰接点处理方法在有限元分析中，销轴铰点位置处理方法的选择至关重要，选择不同的计算方法，在铰接处会产生不同的应力集中现象，进而导致计算结果相差很大。本文[15]在这个问题的处理上是使用的刚度区域法,所谓刚度区域法（Definesarigidregion）就是把相连接的各个区域、部分当作一个刚体处理，所研究是刚体区域[42]的变形和其受力规律按照刚体的相关理论进行处理。销孔与销轴之间力的传递问题也是一个需要注意的问题，销轴与销孔之间作用力的分布是按照余弦规律均o匀地沿着两者相接触的法向分布，参考相关文献[32]可知,轴向力是在180范围内成余弦分布。如图3.8、3.9所示为销轴铰点力传递示意图。-33- 沈阳理工大学硕士学位论文1.连接体2.销轴图3.8铰点销轴力传递示意图Fig3.8pointhingepinaxialforcediagram图3.9铰点假定应力分布Fig3.9Hingepointassumedstressdistribution3.4.2工作装置铰点销轴和轴套最小间隙确定众所周知，挖掘机在作业时，工作装置的各个铰点作为直接传力部位，其销轴和轴套之间发生相对转动并且传递的载荷很大，因此销轴和轴套最易发生磨损和损坏，合理的轴、轴套间隙可以延长使用寿命和提高可靠性。当轴、轴套之间的间隙太小时，以至于在轴、轴套间不能形成油膜，将会使轴和轴套直接接触摩擦，造成磨损过快、发热量过大。另外，当轴、轴套之间的间隙太大时，会使销轴和轴套之间的载荷变为动载荷，也会减小销轴和轴套的使用寿命。因此，当销轴和轴套间隙大小合适时，将会使挖掘机工作装置的使用寿命和安全性大大提高。-34- 第3章挖掘机工作装置静力学分析当销轴和轴套之间间隙合适时，在间隙中能够形成油膜，此时润滑性能良好且其摩擦系数很小约为0.02～0.04；当间隙过小时，轴和轴套之间不会形成油膜，此时的摩擦为完全接触摩擦，其干摩擦系数可能达到0.2，在轴和轴套较大接触压力作用下，会产生大量的热和磨损，使轴和轴套很快就会报废。因此，确定能够形成稳定润滑油膜的最小间隙非常重要。关于最小间隙问题，有部分学者对其进[43]行过研究，并建立了配合间隙的一些公式.参考已有的研究成果，并考虑温度等因素的影响，本文使用最小配合间隙公式如式（3-4）所示。hyRRh（3-4）min12a1a2ldts式中：y----轴的相对挠曲变形量；12R----轴的表面粗糙度；1aR----轴套的表面粗糙度；a2-----轴在轴套内的直线度；l----轴套内圆圆度；d-----温度上升时轴套间隙的减小值；th-----油膜厚度最小安全值。s销轴的相对挠曲变形量y的求解可以使用有限元法进行计算。取工况三（即12斗杆挖掘工况）为计算工况。此时，动臂与斗杆、斗杆与铲斗等各个铰接处受力均可计算出，利用有限元静力学分析方法可求出挠曲变形量y。12销轴的表面粗糙度一般取值为R=1.6um；销轴套的表面粗糙度一般取值为1aR=1.6um；值取决于销轴的长度，根据直线度公差等级IT6，可求得在轴套内a2l的直线度；值取决于销轴的直径，根据圆度公差等级IT7，可以选定内圈的ld圆度；d为温度上升时，轴因为热膨胀使间隙的减小值，的求解公式如式（3-5）ttdt（3-5）t钢上式中：d-----轴的直径,mm；6-o----钢的线膨胀系数，通常取=12101C；钢钢ot-----温度上升值，C。-35- 沈阳理工大学硕士学位论文油膜厚度最小安全值h的计算过程非常复杂，下面进行推导。s3.4.2.1油膜厚度最小安全值h的求解s油膜厚度最小安全值h的计算推导过程非常复杂，在工程中的计算时需要把s[44]计算方程作一些理想化的假设。本文参考相关文献[3]进行简单的推导。油膜的动力润滑基本方程为：uvw0（3-6）ttt上式中：u、v、w分别为流体（油膜）在x、y、z方向上的流速；----流体的密度；t-----时间。当边界条件yh,uu,vv满足时，根据流体的Navier-stokes，同时利用s22Leibunitz法则，得到轴承Reynolds方程如式（3-7）所示。33hphhpsss6u12v（3-7）xx2xzz2上式即为油膜厚度最小安全值h的最终计算方程式。s式中：----流体的粘度。当、、u、v确定时，即可根据式（3-7）求出油膜厚度最小安全值h。22s3.5动臂的有限元分析反铲挖掘机在挖掘过程中外界条件复杂多变，工作装置要承受各种情况下的冲击、扭转、振动载荷。而动臂在障碍物冲击的过程中承受很大的载荷。因此，通过分析软件ANSYS模拟分析出动臂在施工过程中的变形、应力较大较危险的位置，对优化动臂结构，进而提高挖掘机系统的安全性和可靠性具有重大现实意义。[15]所以，分析动臂在静载荷作用下的应力、变形很有必要。另外，挖掘机在挖掘的过程中会出现振动不稳定的情形，为了降低动臂振动的频率和幅度，这就需要了解动臂结构本身具有的振动特性，也就是部件的固有频率和振型。这样设计人员在结构和功能设计时，就可以避开这几阶固有频率，从而减少结构的振动破坏和噪声，尽可能多的提高挖掘机工作时的稳定性和安全性。[16]因此，挖掘机动臂的模态分析也有很大的现实意义。-36- 第3章挖掘机工作装置静力学分析3.5.1计算工况的选择液压挖掘机动臂、铲斗、斗杆的挖掘工作是通过工作装置液压系统控制相应液压缸的伸缩运动来完成的。在挖掘过程中，不同液压缸伸缩程度不同导致挖掘工况也不一样，本文在第二章阐述了其中比较具有代表性的5种挖掘工况，每种挖掘工况下各部件受力危险部位都不一样。因此，我们需要选择动臂所受弯矩和受力比较大的工况，作为我们分析动臂强度和刚度的计算工况。使用斗杆挖掘工况（即工况三）时，此工况时动臂液压缸缩到最短，动臂位于机身水平面之下，此时斗杆油缸的作用力垂直于斗杆的力臂，油缸推力对斗杆的作用效果很明显。当挖掘机斗容量比较小时，挖掘以斗杆挖掘工况为主，并且此位置时动臂所受弯矩和受力、斗杆的受力都很大，属于工作中的危险工况，因此本课题选择在该位置时对的动臂进行有限元分析。挖掘机在上述工况三时的计算位置如图3.10所示。图3.10斗杆挖掘工况Fig3.10Armminingconditions3.5.2动臂有限元模型建立所设计的挖掘机动臂CAD机构模型尺寸如图3.11所示。挖掘机的动臂是由上下、左右盖板、前后叉板等部件通过焊接连接，由下图可以看出动臂有四个销轴铰孔，分别是与挖掘机机架联接的销轴铰接孔D、与动臂液压缸联接的销轴铰接孔C、与斗杆油缸联接的销轴铰接孔B、与斗杆联接的销轴铰接孔A。使用Pro/E建成工作装置的几何模型时，为减小结构装配的时候零件之间配合约束不完全，[17]把各个零部件间的焊接处理使用一个零件的建模来代替。-37- 沈阳理工大学硕士学位论文1.上盖板；2.动臂液压缸联接座；3.斗杆液压缸联接座；4.后轴座；5.左右侧板；6.下盖板；7.前叉板图3.11动臂的CAD结构模型Fig3.11MovablearmoftheCADmodelofthestructure划分动臂有限元模型的单元类型是solid45，该单元是3自由度的8节点构成。[16]5动臂的材料选择结构强度和韧性都比较好的16Mn钢。其弹性模量为2.06eMPa,-93泊松比为0.3，密度为7.8et/mm。3.5.3动臂有限元网格划分采用好的网格划分方法可以在求解时将误差减小到最小，避免计算中引起数值发散或数值不正确，以至于得到不准确的计算结果，有可能还导致运算无法进行。对于该几何体，我们采用智能网格划分功能，智能网格划分功能拥有自己的智能划分方式，使用智能网格划分功能时，系统会根据模型结构自动生成形状合适的单元。因此，本文动臂几何模型的划分方式首先考虑的是智能网格划分（即自由[18]划分）方式。划分完成的有限元模型单元数为18326，节点数为36880，网格划分结果如图3.12所示。图3.12动臂网格划分Fig3.12Themovablearmmeshing-38- 第3章挖掘机工作装置静力学分析3.5.4边界条件及载荷的处理我们选取在作业过程中动臂所承受的载荷最大的位置进行强度、刚度的计算校核。如图3.13工况所示，动臂在图示位置处受外载荷最大，其受力分布如图示。图3.13动臂最大受力位置Fig3.13Themaximumstresslocationofthemovablearm约束的施加：为了能够减小总体刚度矩阵的奇异性，因此通过施加合适的节点约束来减小动臂的刚体位移，施加的位移约束需要刚好和机构在真实环境中的位移相抵消。因此把动臂与机身联接处销轴铰接点作为工作装置的支撑点，将动臂和斗杆的液压缸推力作为外界载荷加在动臂铰点处。同时，斗杆与动臂销轴铰接处的作用力，也作为外界载荷施加。根据边界条件施加约束，在动臂与机身销轴铰接处的做全位移约束和X、Y轴旋转约束，不约束在Z方向的旋转，以模拟工[16]件可能在Z方向的旋转运动。载荷的施加：对于动臂来说在图3.13所示挖掘位置下，斗杆油缸对它所施加的铰接处的作用力臂最大，而油缸所能施加的最大推动力是由油缸的尺寸、功率等决定的。经查阅徐工XE135B型挖掘机相关资料，得到挖掘机铲斗切向挖掘力为85KN，斗杆最大挖掘力为65KN。至于其他力的大小我们可以根据力矩平衡原理和多力平衡原理进行求解。首先，把铲斗及斗杆取作研究对象，外力对斗杆和动臂的连接处铰支孔取力矩，根据力矩平衡原理由计算可知斗杆液压缸的最大推力为403.726KN；其次，以动臂、斗杆、铲斗组成的工作机构为研究对象，各个-39- 沈阳理工大学硕士学位论文外力对动臂与挖掘机机身的铰点取力矩，计算得出动臂液压缸的作用力为[16]89.199KN；仍然取铲斗及斗杆当作研究对象，根据力平衡原理，可以求得动臂与斗杆铰接位置力大小是468.836KN。利用力平衡原理与力矩平衡原理我们求出动臂各个铰点的受力大小。通过这种方法我们求得的力均是集中力，但是在真实的环境中，销轴配合处铰点的力并不是一个单一的力，而是按照余弦规律分布的，为了更好地反应真实的受力，假设力分布如图3.14：图3.14铰点假定应力分布Fig3.14Hingepointassumedstressdistribution应力分布假设：（1）外力在XY平面上按照图示的180º范围内呈现余弦分布；（2）所有的外力都是垂直于销轴的外表面；（3）外力载荷在Z方向均匀分布。[19]参考文献[19]，引用上图所述外力载荷的分布函数：FPcos(3-8)oo上式中，的取值范围为0～180，P为待定系数，α为外力R与X轴之间的夹角。á合力R的计算公式为Rlr2Fcosdá2á=lr2Pcos2d（3-9）á2上式中：l----销孔Z向长度；-40- 第3章挖掘机工作装置静力学分析r----销孔半径。（3-9）式所列外力力R已知，由（3-9）式可以推导出P表达式：2RP=（3-10）lr由式（3-10）可计算出待定系数P,由公式（3-8）可求出销孔铰点处外力载荷[19]的函数F，分布函数F在合力方向的分量总和等于R。求铰点处的载荷，只要知道其受力的大小和方向就可以对铰孔处施加按余弦规律变化的面载荷。3.5.5静载荷下结果分析在模型建立后，并将网格划分、边界处理和约束施加（与机身铰支孔处全约束）等工作完成后，通过对动臂有限元模型施加载荷，之后在有限元分析软件ANSYS的pastpot模块中可以得到动臂的VonMises云图如图3.15。从下图可以看出，动臂大部分结构的应力值都比较小，仅在斗杆液压缸、动臂液压缸铰点处的应力比较大，有应力集中现象。且应力值最大处仅为264.7MPa，没有超过其许用应力345MPa。而在实际工况中，动臂最先破坏失效的部位也发生在斗杆液压缸、动臂液压缸铰点处，这说明在这个位置的强度和焊接工艺还需要进一步改进。此外，动臂与机身铰接位置处防护板应力也比较大，但均在安全范围内。（a）(b)-41- 沈阳理工大学硕士学位论文(c)图3.15动臂应力分析Fig3.15Themovablearmstressanalysis（a）(b)图3.16动臂局部应力分析Fig3.16Movablearmlocalstressanalysis3.5.6动臂动态特性分析工作中机构振动是设计分析时常需要考虑的问题，研究结构自身的模态阵型和[15]自身固有频率，将会最大程度降低在工作中因机构共振等因素造成的损失。本文中所研究的挖掘机动臂在施工作业时经常表现出振动不均衡、无规律的情况，为了改善施工作业时动臂的振动现象，提高并保证动臂工作的可靠性，因此需要对动臂做相关模态频率方面的分析。机构的模态频率分析可以得到所设计动臂的振动特性和机构固有频率，这样在结构布局、尺寸设计时可以尽量使动臂的外载荷激励频率避开其固有频率，同时为动臂在瞬态载荷作用下的载荷结构设计提供[16]重要参数。因此，本课题对XE135B型挖掘机的动臂进行相应的模态分析，并根据实际情况选用前5阶的固有频率（如表3.3示）和模态阵型图（如图3.17所示）。本文所研究XE135B型挖掘机其发动机怠速800r/min，稳定工作时发动机额-42- 第3章挖掘机工作装置静力学分析定转速2200r/min；在发动机旋转和柱塞泵综合作用下，系统耦合后的激振频率范围在20～55Hz。(a)(b)(c)(d)(d)图3.17动臂前5阶模态振型Fig3.17Movablearmbefore5ordermodalshape-43- 沈阳理工大学硕士学位论文表3.3动臂前5阶频率及振型图Table3.3Movablearmthefirstfivefrequenciesandimageformation阶次频率/Hz阵型描述动臂上端及前部在y-z平面115.553左右摆动动臂上部绕机身铰点y-z平217.010面上下摆动动臂中部在y-z平面左右摆350.950动动臂前部在x-y平面弯曲鼓479.954起动臂缸铰接处在y-z平面内5163.81扭转摆动模态分析表明：（1）由表3.3可以看出，动臂前5阶的频率中只有第3阶固有频率可能与动臂工作频率发生重合，又由图3.16可以看出在3阶阵型中，变形量最大是0.072mm远小于危险变形极限，在许用安全变形范围内。（2）动臂前4阶均为弯曲变形，只有在第5阶时动臂才在中部发生扭转变形，这表明动臂在挖掘机机身约束下抗弯曲变形能力相对于其抗扭转能力要差，一般不会发生动臂扭转变形现象。3.6本章小结（1）充分考虑了不同因素对挖掘阻力的影响，参考相关文献，最终选取了并被实践证明比较准确的挖掘阻力力学模型，得出铲斗挖掘阻力大小。（2）本章使用系统集成的方式，整体集成ANSYS分析的作用是可以很大程度的降低因模型简化、载荷计算不准确等原因造成的计算误差，去除了结构件分开计算时边界条件、结构简化等问题，提升了产品的改进设计水平。（3）通过对最具代表性的工况1整体静力学分析，得出整体的静力学变形和应力均在许用安全范围内。在工况3时动臂受力值最大，针对动臂进行了静力学变形应力分析和模态振型分析，验证动臂的工作安全性。-44- 第4章不同工况下工作装置模态分析4.1ANSYS模态分析相关原理随着技术的发展，工业上对工作效率和机械性能的要求不断提高，结构设计时不但要考虑静态强度，还要注意结构的动强度与性能。特别是液压系统的工作频率和挖掘机发动机转动系统额定工作频率的耦合，当挖掘机耦合后的系统频率靠近工作装置固有频率时将使机械系统的振动加剧，致使工作装置振动加剧。模态分析法随着近年来计算机仿真技术的发展得到广泛应用，成为一种新的研究机构动强度和性能的方法与手段。目前，求解机构的模态阵型和固有频率的方法有很多种。其中试验模态分析法和ANSYS有限元析法是确定频率和阵型常用的两种方法。试验模态法对生产实验条件要求苛刻，属于产品完成后计算；有限元分析法[12]采用计算机仿真技术，不仅使设计周期大大缩短，并且使无样机制造变为可能。4.1.1模态分析的ANSYS有限元法和试验模态法ANSYS有限元法求解机构的模态阵型和固有频率的方法步骤是：首先是利用相应的三维绘图软件来建立研究机构的几何模型；如图4.1有限元模态法Fig4.1Finiteelementmodalmethod其次是通过专用的联接接口把几何模型导入到有限元分析软件ANSYS中，把-45- 沈阳理工大学硕士学位论文模型划分至符合计算要求的有限元网格；最后，选择符合要求的求解器，得到研究机构的模态振型和固有频率。有限元法计算过程如图4.1所示。而在试验模态分析法，研究人员首先把研究的机构固定；其次在所研究的实物结构上施加外载荷激振以使结构产生共振现象，随着频率不断增大，机构的振幅将不断变化，当机构的振幅显著增大时，说明此时外载荷激励作用下的振动频率和机构的固有频率接近。这时随着激振力的频率不断增大，将得到机构的各阶振动频率，用相应的信号采集仪记录各阶振动信号，就可以分析计算出研究机构[34]的固有频率。因此试验模态分析法计算步骤示意图如图4.2所示。对机构施加激振力使之产生振动测量在激振力作用下研究机构产生的振动响应信号对测得的振动响应信号进行处理，获得机构的固有频率计算研究机构的工作频率，比较工作频率和固有频率根据研究结果指导设计的进行如图4.2试验模态法Fig4.2Experimentalmodalmethod上述两种求解机构固有模态的方法是不同的，ANSYS有限元分析法可以在机构生产制造之前，利用虚拟模型，计算出机构的固有模态，然后对机构进行改进，以避免不合理的结构；而利用试验模态分析法必须在机构制造出来以后才可试验，更加准确的得出机构的模态。在工业工程设计生产中，一般把这两种方法相互结合使用，以达到更好的设计可靠性和经济性。-46- 第4章不同工况下工作装置模态分析当前，一些新的设计方法比如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺（CAPP）、计算机辅助加工（CAM）和计算机辅助工程分析（CAE）等都逐渐应用于机械设计制造行业，这些设计方法的应用不仅使产品设计周期缩短，而且使得不必生产出样机成为可能，大大减少了设计成本。综上可以看出，有限元法和模态分析法这两种方法通过相互检验、不断改进设计结构使得结果更加合理更加科学。因此，对那些比较容易受动力影响、制造成本较高的大型复杂机构，在生产制造之前预先进行有限元分析是非常必要的；对于在实际工程使用中出现的振动方面的问题，也可以根据试验模态法和有限元法的分析结果来查找事故发生的[12]原因，从而改进结构，提高机构使用的稳定性。4.2典型工况下工作装置整体模态分析4.2.1模态分析必要性当前施工作业对工程机械的作业效率和机械性能的要求不断提高，这就要求工程机械在设计时要全方面的考虑机构的静态特性和动态特性。因为任何一个结构的固有频率的阶次都可以有若干个，对于液压挖掘机这种实际的大型工程机械而言，对其真实作业工况产生较大影响的是频率较低的低阶振型。当发动机的工作频率与液压系统冲击频率耦合后的频率接近工作装置固有频率时，会引起工作装置产生共振，从而使工作装置更易受到振动破坏。因此，对于行走、挖掘、旋转都比较慢的挖掘机来说，其运动和工作频率都不会很高，所以求解过高阶次频率模态对挖掘机而言没有什么现实意义。本文所研究XE135B型挖掘机其发动机怠速800r/min，稳定工作时发动机额定转速2200r/min。在发动机旋转和柱塞泵综合作用下，系统耦合后的激振频率范围在20～55Hz，而其前六阶固有频率都在60HZ之内，因此对工作装置的五种挖掘工况分别分析其有限元动态特性，并围绕外部激振频率范围，主要研究在激振频率范围内的振型与频率。这样既能减少不必要的工作量、加快求解速度，又能分析出对工作装置施工作业产生比较大影响的模态振型和固有频率值。4.2.2不同工况时模态分析对工作装置的影响（1）工况一（动臂和斗杆最大力臂位置处）的动态分析a)工况位置描述：即挖掘挖掘入土的初始状态，此时挖掘阻力最大，动臂油缸与斗杆油缸分别以最大力臂作业。此时斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与动臂-47- 沈阳理工大学硕士学位论文铰点三点位于同一直线上。此时外载荷为自身重力与垂直齿尖切向力，如图4.3所示。图4.3工况一的模型Fig4.3Thebiggestleverlocationconditionsb)频率分析结果：采用ANSYS的Block法，得到该工况下工作装置的前10[12]阶的振型和协调频率，根据前面的分析可知系统耦合后的激振频率范围在20～55Hz，因此拟提取其中比较具有代表性的4阶模态的频率，具体频率值列表如表4.1所示。表4.1模态的频率表单位：HzTable4.1Modalfrequencytable阶次第3阶第4阶第5阶第6阶频率11.921.531.559.1c)使用有限元分析软件ANSYS相关后处理程序，得到挖掘机工作装置在该种工况下的模态振型，我们选取第3、4、5、6阶振型云图，同时为了清晰的显示工作装置整体变形情况，部分振型使用变形模式显示，其余振型使用振型等值线显示，如图4.4~4.7所示。-48- 第4章不同工况下工作装置模态分析图4.4第三阶模态振型Fig4.4Thethirdordermodalvibrationmode图4.5第四阶模态振型Fig4.5Thefourthordermodalvibrationmode-49- 沈阳理工大学硕士学位论文图4.6第五阶模态振型Fig4.6Thefifthordermodalvibrationmode图4.7第六阶模态振型Fig4.7Thesixthordermodalvibrationmoded)影响结果分析：在有限元分析软件ANSYS中，可按照如下的操作路径UtilityMenu>PlotCtrls>Animate>DeformedResults，可导出模态分析的动画效果图，通过仔细分析动画的变化过程，我们能够得到不同频率变化过程如下：当频率为第三阶频率时，三阶模态中铲斗、液压缸斗杆的振动位移基本发生在XY平面内的平动，在动臂和斗杆连接处平动变形情况最严重，其变形量是0.052mm，远小于许用变形极限。另外，铲斗齿尖处的变形也较大。-50- 第4章不同工况下工作装置模态分析当频率为第四阶频率时，4阶振型中动臂在X-Y方向围绕动壁缸铰点发生了摆动，并带动斗杆在此方向上平移，斗杆带动铲斗平移，最大平移量为0.05mm；当频率为第五阶频率时，5阶振型中动臂的三个铰链处在Y-Z方向发生了蠕动性的形变，最大变形量0.04mm。斗杆下端铰链处在Y-Z方向发生蠕动性形变，变形量较小。此端的蠕动性形变，带动铲斗中线的摆动性形变。最大形变量为0.06mm；当频率为第六阶频率时，6阶振型为铲斗绕X-Y平面发生扭转变形，最大的变形位置位于铲斗底部钢板处。（2）工况二（最深挖掘位置处）的动态特性分析a)工况位置描述：即铲斗垂直挖掘入土后，横向挖掘作业的初始状态。在此工况下，动臂液压缸收缩，使动臂位于最低位置，铲斗液压缸当量力臂最大，斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与动臂铰点三点位于同一直线上。此时外载荷为重力、切向力、铲斗侧向力，如图4.8所示。图4.8最深挖掘位置图Fig4.8Mostmininglocationsb)频率分析结果：同工况1时的频率分析，具体频率数值列表如表4.2所示。-51- 沈阳理工大学硕士学位论文表4.2模态的频率表单位：HzTable4.2Modalfrequencytable阶次第4阶第5阶第6阶第7阶频率17.241.746.848.4c)使用有限元分析软件ANSYS的相关后处理程序，得到挖掘机工作装置在该种工况下的模态振型，我们选取第3、4、5、6阶振型云图，同时为了清晰的显示工作装置的整体变形情况，部分振型使用变形模式显示，其余振型使用振型等值线显示，如图4.9~4.12所示。图4.9第四阶模态振型图Fig4.9Thefourthordermodalvibrationmode图4.10第五阶模态振型图Fig4.10Thefifthordermodalvibrationmode-52- 第4章不同工况下工作装置模态分析图4.11第六阶模态振型图Fig4.116ordermodalvibrationmode图4.12第七阶模态振型图Fig4.12Ordermodalvibrationmodeinfigure7d)影响结果分析：如图4.9~4.12所示，同时根据ANSYS软件可按照如下的操作路径UtilityMenu>PlotCtrls>Animate>DeformedResults导出模态分析的动画效果图，通过仔细分析动画的变化过程，可以得到以下变化过程结果：当振动频率为第四阶频率时，工作装置发生动臂和斗杆铰接时的平动、铲斗与斗杆铰接处的转动。当振动频率为第五阶频率时，工作装置发生铲斗与斗杆铰接位置处附近在-53- 沈阳理工大学硕士学位论文YZ平面、X-Y平面内的两个平面扭转合成运动。当频率为第六阶频率时，工作装置发生斗杆在X--Y平面内左右摆动，铲斗出现在X-Y平面、Y-Z平面内的复合扭转现象。当振动频率为第七阶频率时，挖掘机工作装置发生铲斗以销轴铰接处为中心在X-Y平面内的转动。（3）工况三（动臂最大受力位置）的动态特性分析a)工况位置描述：即为铲斗横向挖掘作业的完成。此位置时，动臂也位于最低位置。斗杆油缸推力对斗杆与动臂铰点的作用力臂最大，斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与动臂铰点三点也位于同一直线上。此时工作装置的载荷是机构自身重力、切向力以及侧向力，如图4.13所示。图4.13动臂最大受力位置图Fig4.13Themaximumstresslocationmapofthemovablearmb)频率分析结果：同上面两种工况也采用ANSYS的Block法，得到该工况下工作装置的前20阶的振型和协调频率，根据前面的分析可知系统耦合后的激振频率范围在20Hz～55Hz，因此拟提取其中比较具有代表性的4阶模态的振型频率，具体频率值列表如表4.3所示。-54- 第4章不同工况下工作装置模态分析表4.3模态的频率表单位：HzTable4.3Modalfrequencytable阶次第4阶第5阶第6阶第7阶频率13.538.049.954.8c)使用有限元分析软件ANSYS的相关后处理程序，得到挖掘机工作装置在该种工况下的模态振型，挖掘机工作装置在4、5、6、7阶振型云图如图4.14～4.17所示，同上我们仍然部分振型使用变形模式显示，其余的振型使用振型等值线显示。图4.14第四阶模态振型图Fig4.14Thefourthordermodalvibrationmode图4.15第五阶模态振型图Fig4.15Thefifthordermodalvibrationmode-55- 沈阳理工大学硕士学位论文图4.16第六阶模态振型图Fig4.166ordermodalvibrationmode图4.17第七阶模态振型图Fig4.17Ordermodalvibrationmodeinfigure7d)影响结果分析：如图4.14~4.17所示，同时根据ANSYS软件后处理程序中的动画显示结果来看，可以得到以下变化过程结果：当频率为第四阶频率时，工作装置的振动情况是出现斗杆和铲斗在X-Y平面左右摆动，动臂在X-Y平面小幅度的上下摆动。当振动频率为第五阶频率时，工作装置的铲斗与斗杆表现在Y-Z平面、X-Y平面内的复合扭转运动，只不过扭转幅度较小对挖掘作业没有影响。当频率为第六阶频率时，该固有频率下工作装置主要做斗杆与铲斗铰接处为中心的转动，该转动为主要运动。以绕动臂和动臂油缸销轴联接处铰点为中心的转-56- 第4章不同工况下工作装置模态分析动为辅。当振动频率为第七阶频率时，工作装置主要表现为铲斗在XY平面、YZ平面的两个平面扭转运动合成现象，同时斗杆也在X-Y面、Y-Z面有小幅度的扭转运动合成现象。（4）工况五（最高卸载位置）的动态特性分析a)工况位置描述：也就是挖掘机铲斗被向上提升至最高点处。此时，动臂液压缸全伸，斗杆液压缸全缩，铲斗液压缸全伸,铲斗处于即将卸载的位置。此时的载荷是物料重力与液压缸的惯性制动力矩，如图4.17所示。图4.18最高卸载位置图Fig4.18Thehighestunloadinglocationsb)频率分析结果：同上面两种工况也采用ANSYS的Block法，得到该工况下工作装置的前20阶的振型和协调频率，并结合系统耦合后的激振频率范围在20～55Hz，提取其中比较具有代表性的5阶模态的频率，具体频率值列表如表4.4所示。表4.4模态的频率表单位：HzTable4.4Modalfrequencytable阶次第3阶第4阶第5阶第6阶第7阶频率16.018.340.444.261.9c)使用ANSYS软件的后处理程序，得到挖掘机工作装置在该种工况下的模态-57- 沈阳理工大学硕士学位论文振型图，同上我们仍然部分振型使用变形模式显示，其余的振型使用振型等值线显示，挖掘机工作装置在3、4、5、6、7阶振型云图如图4.19～4.22所示。图4.19第三阶模态阵型图Fig4.193ordermodalvibrationmode图4.20第四阶模态阵型图Fig4.20Thefourthordermodalvibrationmode图4.21第五阶模态阵型图Fig4.21Thefifthordermodalvibrationmode-58- 第4章不同工况下工作装置模态分析图4.22第六阶模态阵型图Fig4.226ordermodalvibrationmoded)影响结果分析：如图4.19~4.22所示，同时根据ANSYS软件后处理程序中的动画显示结果来看，可以得到以下变化过程结果：当频率为第三阶频率时，工作装置的振动情况是动臂、斗杆和铲斗在以铲斗铰接点为中心在Y-Z平面左右摆动。当振动频率为第四阶频率时，工作装置的振动是铲斗与斗杆在X-Y面范围内上下摆动，铲斗摆动幅度较大，斗杆幅度次之。挖掘机大臂在X-Y面范围内上下摆动的幅度很小相对铲斗的摆动幅度基本可以忽略。当振动频率为第五阶频率时，挖掘机工作装置在该固有频率下发生的振动主要是铲斗在X-Z平面扭转运动，动臂、斗杆基本未发生变形。当振动频率为第六、七阶频率时，工作装置的振动情况与六阶频率机构的振动情形基本相同。六阶频率时是铲斗齿尖在X-Y面范围内上下摆动的振动，七阶频率时是铲斗齿尖两端在Y-Z面范围内扭转运动。（5）以上几种模态分析总结。分析以上几种工况频率及振型，可得到主要频率范围内的动态参数，如表4.5所示。表4.5五种工况的四、五、六阶频率HzTable4.5Fiveworkingconditionof4,5,and6orderfrequency工况12345频率主振方向频率主振方向频率主振方向频率主振方向频率主振方向-59- 沈阳理工大学硕士学位论文4阶21.5XY面振动41.7扭振，铲斗38.0扭振30.4YZ面振动40.4扭振铲斗斗杆扭转变形明显YZ面振动,XY面内振动，XY面振动，XY面振动XY面内振5阶36.5动臂、铲斗46.7斗杆变形明显49.8斗杆、铲斗41.6斗杆、斗齿44.1动、铲斗变变形明显变形明显变形明显形明显铲斗XY面扭振，铲斗扭振，铲斗XY面内振动6阶59.1扭转48.3扭转54.7扭转明显49.6YZ平面振动61.9各部件均明显变形根据以上几种工况的模态振型频率分析，可以归纳分析出以下规律：（1）对于不同挖掘作业工况而言，对工作装置振动有较大影响的均是四、五、六阶频率。第六阶频率主要表现为XY平面、YZ平面内的复合扭转振动。（2）由各种不同工况的阵型图可以看出挖掘机铲斗和斗杆的刚度相对较小，当出现共振频率时，对铲斗和斗杆的破坏也相对较大。对挖掘机动臂自身而言，在动臂和斗杆销轴铰接位置以及动臂和动臂液压缸销轴铰接位置处，刚度也相对薄弱，对动臂的共振破坏也主要分布在这些位置附近。（3）不同工况的各振型主要是挖掘系统绕机身转动点处的回转变形、各部件的侧向平面变形以及铲斗的扭转变形。（4）各个铰接点处的蠕动形变量均小于所用材料的弹性变形量。（5）本文的挖掘机工作装置的静、动态特性分析是假定铲斗里没有装载物料，如果分析物料对系统的影响，则相应机械系统的质量及刚度会增大，机械系统的固有频率相应减小，模态振型图也将发生变化。4.3本章小结（1）挖掘机工作装置的外部激振力来源于液压系统的油压冲击过程和挖掘机发动机转动系统的耦合。（2）根据工作装置在五种工况状态下的固有频率和工作频率的范围比较，观察最大变形可知，工作装置的最大变形量符合设计要求。所以可以忽略由于共振因素对工作装置安全性的破坏。-60- 第4章不同工况下工作装置模态分析（3）本节通过对挖掘机工作装置建立整体有限元模型，分析在5种典型挖掘工况的模态振型，并详细分析了在每种模态振型频率下的变形规律。根据挖掘机在5种典型挖掘工况的振动形式、变形情况，可以分析出以哪种挖掘姿态工作时，挖掘机的工作效率最高、使用寿命最长。-61- 第5章工作装置的系统动力响应分析5.1瞬态动力学分析相关原理瞬态动力学分析（即时间历程分析）主要用来分析载荷随时间任意变化的结构动力学相应。求结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合下的随时间变化的应力、应变、位移，可以使用ANSYS的瞬态动力学分析功能。对于部分结构系统载荷和时间的相关性致使阻尼作用和惯性力的影响比较大。如果对一个系统而言，阻尼作用和惯性力影响不是很大，就可以用静力学分析来代替瞬态分析。瞬态动力学的基本运动方程是：MuCuKuF(t)(5-1)其中M、C、K分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵，{u}、{F(t)}分别为节点位移向量、载荷可为时间的任意函数。一般承受变载荷的结构、承受冲击载荷的结构、承受移动和震动的设备，这些结构的分析可以采用ANSYS的瞬态动力学分析，而本文所研究的挖掘机挖掘过程的分析，属于结构承受冲击和载荷随时间变化的情况，所以可以使用ANSYS分析软件的瞬态动力学模块对挖掘过程进行研究。一般瞬态动力学分析采用ModeSuperposition（模态叠加法）、Reduced（缩减法)、Full(完全法)。但是Full法一般适用于尺寸比较小、结构不是很复杂的模型。Full法也具有很多优点，比如通过一次分析计算就能得到所有的应力和位移；允许施加的载荷范围非常广，基本可以满足工程中遇到的问题，如单元载荷（温度、压力）、外加位移、节点集中力等；允许在根据工程问题建立的实物模型上直接施加相应的载荷。而缩减法不能施加温度、压力等单元载荷，也不能使用自动步长计算。模态叠加法在整个有限元动态分析过程中时间步长需要设置为定值，即在计算分析过程中时间步长不能随意更改，必须保持恒定，但ModeSuperposition方法适用于模型结构复杂庞大，有限元网格数众多，且模型受力复杂，对计算机硬-62- 第5章工作装置系统动力响应分析件配置要求较高，即需要占用计算机较大的内存进行计算。在本文中，挖掘机工作装置结构模型尺寸巨大，单元数目很多，我们采用ModeSuperposition(模态叠加[20]法)进行动力学分析。5.2系统动力响应分析挖掘机的挖掘作业过程，是由工作装置的铲斗、斗杆、以及动臂相互协调配合作用完成的。在铲斗斗齿入土挖掘时，由于障碍物直接作用于铲斗斗齿使铲斗斗齿主切削刃上产生正向压力，垂直于斗齿尖和和回转中心的连线。另外在物料和铲斗作用的过程中，铲斗侧面也受到侧向压力作用。根据挖掘实验得到的数据证实，挖掘机工作装置在挖掘比较坚硬的土壤等挖掘难度较大的挖掘环境时，铲斗主切削刃一般在开始挖掘时所受到的挖掘阻力最大，随着铲斗深入土壤环境中挖掘阻力呈阶跃性减小。所以在铲斗主切削刃入土时开始到挖掘完成，物料被提到半空中这整个过程中，外界阻力在铲斗完全入土时是外载荷激励变化比较明显的时间段。因此在有限元瞬态动力学计算时，考虑到工作装置有限元模型划分的[7]网格数目众多，计算量十分巨大，所以载荷终止时间就选择铲斗完全取土时为止。另外为了载荷施加方便，将外部环境载荷施加在铲斗斗齿的斗齿面上，如图5.1所示。图5.1铲斗外载荷激励曲线Fig5.1Outsidethebucketloadcurve由上图可以看出：在2s、3s末时载荷的变化是阶跃性变化，这在瞬态动力学求解时有一定的难度，本文的解决办法是通过在2s末3s初设置一个急剧变化的斜坡载荷来模拟阶跃载荷，因为该斜坡载荷设置的时间很小，可以满足计算要求。-63- 沈阳理工大学硕士学位论文载荷步具体施加办法如表5.1所示。表5.1载荷步施加Table5.1Steploadapplied载荷步截止时间（s）挖掘阻力(KPa)111002210032.150435053.1106410由图5.2可以看出在铲斗入土挖掘开始的2s内，铲斗受到的外界激励载荷最大，因此我们取瞬态动力学在载荷步1时工作装置的应变等值线图，观察在哪个部位位移变形最大，以此来指导挖掘机的设计研发工作。由下图可以看出在铲斗主切削刃处应变最大，应变最大值为0.77mm，在应变范围之内。载荷步1时应变等值线如图5.2所示。（a）(b)图5.2载荷步1时位移场分布等值线Fig5.2Theloadstep1contourdisplacementfielddistribution瞬态动力响应分析曲线如下：-64- 第5章工作装置系统动力响应分析图5.3X方向位移时间曲线Fig5.3Xdirectiondisplacementtimecurve图5.4Y方向位移时间曲线Fig5.4Ydirectiondisplacementtimecurve-65- 沈阳理工大学硕士学位论文图5.5Z方向位移时间曲线Fig5.5Zdirectiondisplacementtimecurve由以上三图可以看出，位移时间曲线在X、Y、Z方向的变化各不相同，变化出现比较大的波动，这是由于施加在铲斗主切削刃上的外界载荷也是阶跃变化所致。工作装置在X方向的位移振动幅度，最大值仅为0.5mm；在Y方向的振动幅度呈阶跃性减小，最大振动幅度仅为0.56mm；在Z方向的振动幅度呈现波动变化，在2s到3s末的时间范围内振动位移幅度发生阶跃性增大，其原因是铲斗受到侧向载荷的作用，且此方向最大振动振幅值是5.1mm。另外本文没有考虑铲斗物料对工作装置的位移约束，因此在实际挖掘作业时铲斗位移应该会小于本文通过瞬[38]态动力分析得出的结果。通过观察图5.3、5.4、5.5的变化趋势，还可以发现工作装置在外界挖掘阻力的作用下，其在三个坐标轴空间方向的振动波形、振动幅度和振动频率都不相同。上述表明在外界载荷激励下，工作装置挖掘机构受冲击时有其自身的空间固有特[7]性。-66- 第5章工作装置系统动力响应分析图5.6应力时间曲线Fig5.6Stressandtimecurve通过观察图5.6可以发现，在阶跃性下降的外界载荷作用下，其应力时间曲线也是表现出阶跃性下降，这说明与外界载荷相比，工作装置自身的重量对其应力曲线影响很小。从应力时间曲线可以看出应力值最大仅为90MPa，远低于其材料的许用应力，因此工作装置的应力应变状况是安全可靠的。5.3本章小结（1）从图5.3～5.6的变化趋势可以看出，工作装置的位移时间曲线、应力时间曲线的变化是表现出阶跃性变化，在位移和应力均在第一个载荷步的值最大，这与工作装置铲斗的主切削刃受力变化基本是吻合的，由此可以得出建立的模型、求解方法、分析方法都是正确的。（2）图5.3～5.6的响应曲线都有一个共同的变化规律：应力、应变时间曲线都不是从0s开始响应的，而外载荷的激励是从0s开始的，这说明工作装置结构的响应是迟滞于外载荷的激励。这是由于工作装置的结构尺寸较大，由16Mn钢板焊接而成，导致系统自身阻尼较大。由于阻尼的影响使工作装置不能立刻响应外载荷，而是要有个反应过程。阻尼越大，影响越明显，响应曲线波动幅度越小。（3）通过以上瞬态动力学的分析结果可知，最大应力、位移均是在安全范围内。但是为了防止挖掘机遇到极端的挖掘环境而发生危险，可以增加弯板的厚度进而增加弯板的强度，另外焊接工艺的好坏也是影响工作装置使用寿命、安全性的重要因素。因此，改善弯板的焊接工艺成为必要手段。-67- 沈阳理工大学硕士学位论文结论本文以徐工XE135B型液压反铲挖掘机工作装置为研究对象。挖掘阻力分析模型的正确性已被实践所证实。同时本文采用整个工作装置为研究对象，对其进行了综合有限元分析。通过工作装置的静力学分析、瞬态动力学分析、模态分析以及动臂的静力、模态分析的结果，得出以下结论：（1）提出了挖掘机工作装置整体集成有限元分析方法，建立了五种典型挖掘受力工况，并提出了一种把几何模型有效的导入ANSYS中的方法。该整体ANSYS有限元分析方法可以为其他机械产品的设计分析提供参考价值。（2）整体集成有限元分析方法降低因结构件简化等原因而造成的计算误差，解决了结构件分开计算时边界条件、结构简化等问题。（3）根据工作装置静力学分析结果，在阻力最大的工况一条件下，静应力最大值仅为140.2MPa，小于该材料的许用应力，满足安全性、可靠性要求。（4）提出了动臂铰点处载荷分布模型，并计算了在动臂载荷最大的工况三时，动臂所受的各载荷大小。对其动臂进行了静力学分析与模态分析，验证了动臂的强度、刚度均符合工作安全性要求。（5）找出了工作装置的工作频率来源于液压系统的油压冲击过程和挖掘机发动机转动系统的耦合。分析工作装置固有频率和工作频率重合范围内的模态振型，可以看出共振引起的工作装置振幅很小，因此可以不计共振对其的破坏。根据挖掘机在5种典型挖掘工况的振动形式、变形情况，可以分析出以哪种挖掘姿态工作时，挖掘机的工作效率最高、使用寿命最长。（6）在瞬态动力学分析过程中，位移时间曲线、应力时间曲线的变化规律和铲斗主切削刃受力变化规律是基本吻合的，且最大应力是90MPa,最大应变是0.56mm,都处于安全范围内。-68- 沈阳理工大学硕士学位论文参考文献[1]张仁敬.基于ANSYS和Pro/E的WY22挖掘机工作装置的分析[D].东北大学,2008[2]孙志广.液压挖掘机工作装置优化设计及性能仿真[D].吉林大学,2005.[3]杜文靖.液压挖掘机工作装置设计关键技术研究[D].吉林大学,2007.[4]王惠科.液压挖掘机工作装置静、动态特性研究与结构参数优化[D].中南大学,2010.[5]刘韬.液压挖掘机工作装置结构特性分析与仿真[D].中南大学,2010.[6]陈钰尘.小型液压挖掘机工作装置的参数化设计及仿真分析[D].西南交通大学,2010.[7]张万山.挖掘机工作装置的有限元分析[D].辽宁工程技术大学,2007.[8]王在昌.液压挖掘机工作装置动力学分析及有限元优化设计[D].山东科技大学,2011.[9]张卫国.液压挖掘机工作装置动力学仿真分析及研究[D].太原理工大学，2010.[10]张卫国,权龙,程珩,杨敬.基于真实载荷的挖掘机工作装置瞬态动力学分析[J].机械工程学报,2011,12:144-149.[11]郑东京.挖掘机工作装置的有限元分析及其仿真[D].西北农林科技大学,2011.[12]刘本学.液压挖掘机反铲工作装置的有限元分析[D].长安大学,2003.[13]刘刚强,蒋炎坤,李宗,张宏,张建平.挖掘机工作装置整体有限元分析与试验研究[J].机械科学与技术,2011,07:1146-1149.[14]梁晓东.有限元分析在液压挖掘机工作装置设计上应用[J].科技风,2010,12:265+272.[15]夏连明,刘波,陶文秀.基于SolidWorks与ANSYS的挖掘机动臂有限元分析[J].矿山机械,2012,04:32-35.[16]李金晓,杨茹萍.液压挖掘机动臂的有限元分析[J].建筑机械化,2009,11:59-62+7.-69- 沈阳理工大学硕士学位论文[17]李丹,周志鸿,刘瑞华.基于ANSYS液压挖掘机动臂的有限元分析[J].建筑机械,2008,17:74-78.[18]刘寅.基于Pro/E5.0和ANSYSWorkbench14.5的挖掘机动臂有限元分析[J].科技创新与应用,2013,35:48-49.[19]于硕,张建宗,孔喆.液压挖掘机动臂的有限元分析[J].工程机械,2002,11:8-10+1.[20]刘伟,高维成,于广滨.ANSYS12.0宝典[M].电子工业出版社,2010.[21]郭立新,王守春,郑春歧,张国忠.液压反铲挖掘机工作装置有限元动态分析[J].中国机械工程,2000,12:28-30+5-6.[22]李武.液压挖掘机工作装置的仿真和优化[D].上海交通大学,2009.[23]胡雄伟.液压挖掘机反铲装置的力学性能分析与优化研究[D].中南大学,2009.[24]李永旭.液压挖掘机工作装置与液压系统设计的研究[D].同济大学,2006.[25]张爱宾.液压挖掘机力学分析及工作装置结构改进[D].大连理工大学,2012.[26]Yokota,Shinichi;Sasao,Masanori;Ichiryu,Ken.Trajectorycontroloftheboomandarmsystemofhydraulicexcavators[J].NipponKikaiGakkaiRonbunshu,CHen/TransactionsoftheJapanSocietyofMechanicalEngineers,PartC,1996,62(593):161～167[27]Torres-Rodriguez,H.I;Parra-Vega,V.;Ruiz-Sanchez,F.J.Dynamichaptictrainingsystemfortheoperationofanexcavator[J].20041stInternationalConferenceonElectricalandElectronicsEngineering,ICEEE,2004,350～355[28]Durkovit,Radan;Bulatovic,Ranislav.Modelingandoptimizationoftheworkingmechanismmotionofthehydraulicexcavator[J].Modelling,Simulation&ControlB:Mechanical&ThermalEngineering,Materials&Resources,Chemistry,1990,30(3):p23～32[29]ImanishiEtsujiro;NanjoTakao;Hiroka,Eiko,etc.Dynamicsimulationofflexiblemultibodysystemwiththehydraulicdrive[J].NipponKikaiGakkaiRonbunshu,CHen/TransactionsoftheJapanSocietyofMechanicalEngineers,PartC,2003,69(9):2336～2343[30]Zui,Hiroshi;Imanishi,Etsujiro;Yoshimatsu,etc.SwingAndLifting-70- 沈阳理工大学硕士学位论文PerformanceAnalysisOfHydraulicExcavator[J].R&D,ResearchandDevelopment,Jul,1987,37(3):87～90[31]姬鹏．液压挖掘机反铲装置的运动学仿真及动力学分析[D]．长春：吉林大学机械学院，2004[32]Fan,Xuejun;Pei,Min;Bhatti,PardeepK.Effectoffiniteelementmodelingtechniquesonsolderjointfatiguelifepredictionofflip-chipBGApackages[J].Proceedings–ElectronicComponentsandTechnologyConference,v2006,Proceedings-IEEE56thElectronicComponentsandTechnologyConference,2006:972～980[33]同济大学等编著.单斗液压挖掘机.北京：中国建筑工业出版社，1980[34]伍利群,吴万荣.Pro/E在液压挖掘机动态性能分析中的应用[J].机械研究与应用,2007,06:83-84.[35]C.T.Fiross.FiniteElementMethodsinStructuralMechanics.America.EllisHorwoodLimited,1985[36]NagyLI.Staticanalysisviasubstructuringofanexpfront-endbodystructure.SAETrans-action[J].No.740323erimentalvehicleWarrendale,PA,USA:SoeietyofAutomobileEngineers,Inc.1974:73-803[37]李增刚.ADAMS入门详解与实例[D].北京:国防工业出版社,2006.4[38]谢愚.液压挖掘机反铲工作装置的运动仿真与有限元分析[D].长沙理工大学,2012.[39]刘鹏虎,张勇,张强.液压挖掘机工作装置的动力学分析及控制[J].中国工程机械学报,2007,01:72-74+112.[40]何清华,张大庆,郝鹏,朱建新.液压挖掘机工作装置模型及控制的试验研究[J].中南大学学报(自然科学版),2006,03:542-546.[41]李渊博,何清华,张大庆.液压挖掘机工作装置动力学分析与仿真研究[J].机床与液压,2006,10:170-171.[42]王选尚,史春娟.45m混凝土泵车结构强度研究[J].筑路机械与施工机械化,2012,03:82-84.[43]徐灏.机械设计手册（四）.机械工业出版社，1988液压挖掘机工作装置轴和轴承的设计.-71- 沈阳理工大学硕士学位论文http://china.machine365.com/baike/060223/23/95419_1.html.[44]张直明等.滑动轴承的流体动力润滑理论[M].高等教育出版社，1986[45]XuX,CAIRF.ANewPlatShellElementof16Nodes40DegreesofFreedombyRelativeDisplacementMeshed[J]..CommunicationinNumericalMethodsinEngineering,1993(9):15～20[46]王刚，杨莺，刘少军.虚拟样机技术在工程机械领域的应用[J].工程机械,2003,34(8):11～13[47]傅志方.振动模态分析与参数识别[M].北京机械工业出版社,1990[48]李浩月,周田朋,刘相新.ANSYS工程计算应用教程[M].中国铁道出版社,2003[49]邹正刚.有限元分析中的材料性能单位[M].中国仿真互动[50]R.M.Lin,J.Zhu.ModelupdatingofdampedstructuresusingFRFdata.MechanicalSystemsandSignalProcessing[J],2006(8):2200～2218-72- 沈阳理工大学硕士学位论文攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果[1]祖挥程，张志军.挖掘机工作装置有限元分析[J].沈阳理工大学学报.已录用[2]王浩丞，张志军，祖挥程.微型零件自动装配之搬运机械手设计[J].机械工程师.已录用[3]丛培田,关欣,韩辉,祖挥程.多级柔性水泵转子的动力学有限元分析[J].工具技术,2013,12:31-33.[4]节能型气动康复机械手.研究生机械创新设计大赛一等奖.省级.2013年10月.-73- 沈阳理工大学硕士学位论文致谢在我研究生期间有很多热心的同学和朋友，更是遇到学识渊博的张志军老师。在张老师的悉心指导下，我的论文得以顺利完成，所以我的硕士论文凝结了张老师的心血和汗水。张老师以他敏锐的洞察力、渊博的知识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风给我留下了深刻的印象，这些宝贵的财富将成为我终身献身科学和献身事业的动力。在论文即将完成之际，谨此向我的导师张志军教授致以崇高的敬意和衷心的感谢！在我读硕士研究生的两年半的学习生涯中，张老师既为我创造了良好的学习氛围，又在思想上、人生态度上等方面给予了很好的指导，从中我学到了很多，使我在以后的人生道路上走的更加扎实和认真。非常感谢所有在学习生活中给予我帮助的老师和同学们。最后，衷心感谢为审阅本论文而付出宝贵时间和辛勤劳动的专家和教授们。-74-