液压挖掘机工作装置结构分析与优化改进研究.docx

摘要液压挖掘机是土石方工程的主要施工机械，广泛应用于能源、交通、水利、城彷隹设以及现代化军邪工程等领域的机械化施工。液压挖掘机利用工作装置进行土石方挖掘，工作装置的性能和可毒性是壑机先进性的重要标志.工作装血的作业由三个油抗的熨合动作及铲斗和土石方的相互作用来实现，其运动和受力分析怡况比较复杂，工程应用中用用现动臂或斗杆开裂失效、挖掘区域不合理、工作奘置与机体F涉以及工作装置校点销轴5期断裂等故障，给企业造成r巨大损失，直接影响j国内挖掘机行业的发植.和其他国外的工程机械产品相比，国产液压技搦机缺少竞争力，在国内的市场占有率也是相对较低.液压挖掘机工作装置的优化设计是液压挖掘机设计中极为至要的一部分，它对于提高抠机的工作效率，提高挖施机的作业性能具有曳要的意义.本文在对挖掘机反铲装置进行了运动学、动力学分析的基础上，得到了反铲装置各关求点的坐标和实现挖掘力的限制条件：应用PrOE软件建立r反铲装置的实体模型及约束条件，分析了挖掘机反护奘置十杆的各个点的受力情况，并利用ANSYS软件时斗杆进行r有双元分析,从而为下一步实体设计和强度校核提供了可雅的参考数据：最后对该有限元分析模型的分析结果进行了生产实践强度的试公般证。关键词：液压挖掘机：工作装置；结构分析：结构优化：ANSYS第1章绪论1.1 研究背景挖掘机械是一种重要的工程机械，在全世界社会建设中发挥了重要作用1。目前，中大型挖掘机客户作业范用向铁路、公路、矿产集中,小型挖掘机客户作业范用向新农村建设、市政工程集中.同时，工作装过的多样化，使得挖掘机可以完成击碎、分解、种树等多种功能，因而被广泛应用于大型水利、铁路、房地产、丁产、新农村、市政等领域，其2015年行业分布概况如图1-1所示.由此可见,挖掘机在社会建没中的作用越来越明显.图1-1我国挖掘机用户行业分布概览自改革开放到2013年的35年中，中国经济连续取得了年均9.8%的高速增长率，为人类经济史上前无古人的奇迹2。中国工程机械在助推经济发展、社会建设的同时亦取得r长足的发展，扩展了国内外市场了但是，自2010年初中国经济增长率开始减线,且正处于结构调性阵痛期、增长速度换挡期和前期玫策消化期三期孙加的关键时期。中国工程机械市场受“三期i¾加”效应等多重因素的影响,正由增量市场逐渐转化为存武市场，去库存化成为每个工程机械公H迫切希望解决的问题。挖掘机行业受大环境的影响正面临看巨大的压力与考验，市场饱和、需求减少、产能过剩、需求结构发生改变等。挖掘机企业也因此收益大幅缩水，如图12所示，利润相对较高的中挖的需求在机型需求比例中逐年减少，大挖需求稳定。为赢得市场，加快适应需求结构的变化和行业转型升级的要求，各企业加大研发投入，以创新求发展，以质量铸品牌。小挖中挖大挖200920102011201220132014年份图12我国挖掘机机型需求变化由于社会分工，绝大多数挖掘机企业只生产结构件，因而其利润主要来源于结构件。如若工作装置因设计不周而存在缺陷，导致其在实际运用中失效，那么它将引起巨大的经济损失。而在绝大多数失效中，动臂的失效尤其严重。因此，动伸的可靠性对整机影响很大，其设计好坏直接决定了工作装置使用寿命的长短4。因此，在研发设计中，应采用先进可靠的分析软件以提高产品的设计能力。若是在动臂设计之初就能优化其设计，把握其性能，发现其缺陷,那么降低研发成本，缩短冏期，提高创新能力和技术实力便水到柒成。CAE作为一种技术与方法，为各种各样的现代设计提供了强有力的支控，因而备受全世界工程师的青睐，是他们完成各类设计与创新的左膀右Vt他们将通过虚拟仿真技术，简单、快捷的实现设汁方案的验证，将缺陷与不合理扼杀于摇篮。同时，当市场反馈失效信息时，相应的失效原因可以通过虚拟仿式技术很快的被找出，省时、省力、省成本。CAE软件已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主要技术工具之一，并对工程和产品制造业的技术创新行重大影响。1.2 研究对象及课题的来源动皆为本文主要研究时象，对其进行受力分析、仿真与测试。动臂受力十分复杂，除了受简单拉、压外，往往还处于弯曲、扭转的复合作用状态，这主要是因为：D作业环境多变，作业工况复杂，作业对象多样，使得动臂受力较为恶劣。2）挖掘机的作业是通过末端工具与施工对象的相互作用来完成施工的4,整个作业过程是一个动态过程，使得动臂受力状况复杂多变。3）挖掘过程几乎都是由各部件协同完成，很少有部件单独完成的运动，且不同的操作人员有不同的操作方式与习惯，因而动臂的运动也卜分贪杂。由于社会建设、工业生产，对矿产地需求逐年增长，一些矿产做为不可再生能源，在陆地上的存储量越来越少，导致开采难度日益熠加，使得运用在砂产开发的大35挖掘机工作环境更加恶劣和更杂。剧烈变化的负载,我荷卸去和我荷施加的突然性就会对挖掘机工作装置产生巨大的冲击力，会大大增加动购受力情况的更杂性，边界条件难以准确施加这一特点，使用CAE仿真软件对挖掘机整体进行静力分析，并通过测试进行验证，通过对比测试与分析结果，验证仿真分析结论的可靠度，最终依据仿真结果对斗杆结构进行改进。1.3 国内外研究现状1.3.1 国内外挖掘机的研究现状一些资本主义世界国家有着雄厚的工业技术基础和需求，因此挖掘机首先出现在这些国家。到二十世纪后叶，挖掘机的向着超大型、人工智能、特定用途、微型多功能方向发展。从操作模式来看，挖掘机正在向着自动化方向发展。现代工业时挖抠机操作系统的可靠性要求越来越高,促使其控制方式向着机电液联合方向发展。例如，借助于机器人技术的自动控制、通过遥感定位技术的远程控制、气压液压和伺服技术结合的智能控制等。液压挖掘机的操纵系统向若智能化方向发展。现代工业对挖掘机操作系统的可靠性要求越来越高，促使其控制方式不断向电子电气控制、液压伺服控制、气压控制、无线电遥控控制甚至自动控制方向发展。我国的液压挖掘机行业从诞生到现在已经有50多年了，基本上可分成1个阶段。D19677977年为开发阶段，此阶段的开发主要是仿制外国产品。经过科研工作者攻坚克难，我国液压挖掘机终于实现了从无到有的突破，尽管型号还非常少，功能还不强大。2) 19781986年在这个阶段我国从结构、液压、电粉、控制等方面开始对挖掘机进行综合研究，机械式挖掘机初步被淘汰。期间各主要生产公司通过引进德国样机然后进行模仿、研究和创新，使我国国产产品的技术水平得到了迅速的提高.3) 19877993年在这个阶段挖掘机的生产能力和质量水平已经不能满足我国大规模生产建设的需要，因此挖掘机的生产厂家如雨后春界般涌现出来。这些企业同日本企业合作，走的是一条技术和贸易相结合，管理和生产相结合的新型生产道路，企业通过引进先进的挖掘机生产工艺再结合本身的研发努力，填补了国内挖掘机市场国有产品的空白。4) 1994年至今外国企业单独建立的或者跟中国企业合作建立的厂家不断涌现。这个阶段是社会主义现代化飞速建设的时期，国内挖掘机生产企业的生产能力已经不能满足市场的需求，一些国外挖掘机生产企业纷纷来华建厂生产.在江苏徐州的金山桥开发区，美国的卡特彼勒公司独资兴建了卡特彼勒(徐州)有限公司。经过50多年的发展与经验积累，我国的挖掘机制造行业取得了长足的进步，但是从总体上看，与国际上挖掘机制造技术先进的国家相比,我国的挖掘机制造技术仍I日处于初级水平。13.2国内外CAE的研究现状CAE技术是集多种学科知识、工程技术于一身，涵盖广、功能强的一门综合性技术。CAE技术起源于20世纪50年代中期：60、70年代处于探索阶段；70年代初期实用的CAE软件诞生。从70年到85年的15年里，CAE软件获得蓬勃发展，在完善其技术的同时，走向广商品化5。80年代后期，各国开发了多款CAE软件6,国内亦研制了几款CAE软件。它们都是用FORTRAN语言和数据管理技术开发的结构化软件。目前，CAE软件的理论和舞法U趋成熟，已成为各类领域中不可或缺的技术与工具7。CAE软件的单元库、解法库、材料库等方面都有了巨大发展，增多了界面菜单工具,增强了预处理与结果处理的能力8。因而，绝大多数CAE软件具备多种性能分析和仿真模拟能力9:线性与非线性静力分析：线性与非线性动力分析：稳态与瞬态热分析：电磁场和电流分析：流体计算：声场与波的传播计算1.3.3液压挖掘机CAE的应用16世纪的意大利人最早发明出挖掘机的雏形，用于疏导运河。1836年第一台以蒸汽机驱动的挖掘机诞生.因其体枳、重量、噪音大，使用面不广，且受限于科学技术发展獴慢，重大技术难点未能攻克，制造技术低卜等原因，导致挖掘机技术在后来长时间里未取得任何进展.我国于1954年在抚顺挖掘机厂生产了第台单斗机械式挖掘机,自力更生地研发挖掘机始于1958U0,随后开发出-系列比较成熟的产晶,如WYIO0、WY60.WY250等。到了80年代初，他国1.1.EBHERR、DEMAG、O&K等公司的先进技术纷纷被引进入我国1.1.o此后,恰逢国家的飞的历史时期,挖掘机市场需求量大,90年代初,大大小小的国内外技掘机企业如雨后春界成长迅速。至2001年年底，包括国有企业在内，我国境外液年挖掘机的企业已达到20家左右12。2001至2010年中国经济走过了辉煌的十年,挖据机企业亦得到了丰厚的利润。但是，从2010年1季度开始中国经济开始回落,进入2014年后，国内挖掘机市场已经饱和，企业面临着去库存化的巨大压力。在此环境下，各企业沉淀自己，加大研发投入，做了很多的工作，但使用CAE技术进行仿真分析的不多，而进行验证的就更少。1.4.4CAE仿真与测试测试、仿真是发现设计缺陷,并解决问题的两种方法19。随着，社会与科学的发展,在保证仿真分析结果准确与可完的前提下，愈来愈多的产品样机制造与实验可以用仿真分析取代。同样，有效成功的测试验证了仿真分析的正确性。因而，CAE技术与测试的协同成为未来的发展趋势。CAE技术的主要思想是解析具体的工程问题,建立介理的分析模型，借助分析软件进行数值模拟，获得准确的解答。以使用ANSYS分析软件为例，第一步往往是建立分析对象的有限元模型，为减少“堂量、提商网格划分质量，常常涉及到模型的简化，同时也会涉及如何施加正确边界条件的问巡，这些都将影响分析结果的正确性.因而，通过测试数据验证分析结果就显得十分关键.同时，为得到有效正确的测状数据，必须合理的规划测试过程，包括：测试环境、测试仪粉、测试工况、测试点、数据采集及处理等。测试和仿攵就像硬币的正反面，既相互独立有相互联系，CAE仿宾可以帮助规划合理的测试，包括测点的布置、工况的选择等。正确的测状结果可以验证分析模型的正确性。伴随CAE仿其技术的广泛运用，其与测试的协同也将密不可分。15本课题研究意义和目标2014年以来，中国工程机械进入行业转型提升阶段，在面临市场饱和，去库存化等多重压力的情况下，各企业加大研发力度，提高自主创新能力，力争在下一阶段经济更苏中抢占市场。因而，此时期既是挑战也是机遇,在此阶段解决产品实际运用中出现的问题，提高产品质量变得刻不容缓。挖掘机，国内一个起步较晚的行业，常因各类失效，导致竞争力不足。行业调整的时期，正是技术进步的时期,中流击水不进则退，因此提高国产挖掘机品质的首要任务是提高工作装置的可靠性。本论文主要对液压挖掘机反铲装芭进行运动学分析，针时挖掘机反铲装置的斗杆进行数学分析并得出斗杆较点的优化结果，采用ANSYS软件进行有限元分析验证，优化后的斗杆得到了实验论证并运用于生产实践中。本文通过构建液压挖掘机工作装置数学模型，并对其进行了参数化的优化设计，达到J'提高斗杆挖掘力的目的，从而为实体设计和强度校核提供J'可旅的参考数据，这对于提高设计员工作效率、降低试制试验贽、加快新产品的研制进度具有一定的实际意义。第2章液压挖掘机概述及其反铲装置的结构特点介绍2.1液压挖掘机概述2.1.1.液压挖掘机构成及特点液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的一种周期作业的土方机械。液压挖掘机由于在动力装置和工作装置之间采用容积式液乐传动，症液体的乐力能进行工作，相对机械传动具有许多优点：能无级翻速且调速范附大，最高速度和及低速度之比可达100O：1;能得到较低的稔定转速：快速作用时，液压元件产生的运动惯性较小，并可作高速反转：传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动；操纵省力灵活，易实现自动化控制：易实现标准化、通用化、系列化。因此液压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是必然的趋势。为了实现挖掘机的各项功能，液压挖掘机需要两个基本组成部分，即机体（或称主机）和工作装置。机体是完成挖掘机基本动作并作为驱动和操纵挖掘机进行工作的基础，可以是履带牵引车辆或轮式牵引车辆。可细分为行走装置、回转装置、液压系统、气压系统、电气系统和动力装置。其中动力装置、操纵机构、回转机构和辅助设备均在可回转的平台上，总称上车部分，它与行走机构（又称下车部分）用回转支撵相连，平台可以围绕中央回转轴作360°的全回转。工作装置根据工作性质的不同，可配备反铲、正铲、装载、起重等装置，分别完成挖掘、装载、抓取、起重、钻孔、打桩、破碎、修坡、清沟等工作。单斗液压挖掘机是以一个铲斗进行挖掘作业的机械，它由工作装置、上部转台和行走装置三大部分组成。反护装置主要用于挖掘停机面以下的土壤。斗容量小于1.6N的中小型液压挖掘机通常选用反铲装置,它分为整体瞥式和组合臂式。其中长期作业条件相似的挖掘机反铲装置大多采用整体鹅颈式动臂结构。采用这种动臂有利于加大挖掘深度，且结构简单、价格低廉。刚度相同时，其重量比组合式动臂轻，是目前应用最广泛的挖掘机工作装置结构形式。动臂反铲挖掘机工作装置主要由动臂、动懵油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇愣连杆、销轴等组成。装置各运动部件之间全部采用销轴轨接，以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕下钗接点转动实现动臂的升降，斗杆钦接了动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂的相对角度。当斗杆油缸伸缩时，斗杆可绕动料上皎点转动，铲斗与斗杆前端钱接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动。为增大铲斗的转角，通常采用摇臂连杆机构来和铲斗联结。液用挖掘机工作循环过程的仿真是仿真与优化样机控制必不可少的一个过程。液压挖掘机的回转、行走和工作装置的动作都由液压传动系统实现，原动机骗动双联液压泵，把压力油分别送到两组多路换向阀、通过司机的操纵，将压力油单独或同时送往液压执行元件（液压马达和液压油缸）驱动执行机构工作。其工作循环过程如下：首先液压挖掘机驱动行走马达和配套土方运输车辆一起进入作业面，运检车,辆倒车、调整，停靠在挖掘机的侧方或后方。挖掘机司机扳动操纵手柄，使回转马达控制阀接通，于是回转马达转动并带动上部平台回转，使工作装置转向挖掘地点，在执行上述过程的同时操纵动臂油缸换向阀,使动将油缸上腔进油,将动将卜降，直至铲斗接触地面，然后司机操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使两者的大腔进油，配合动作以加快作业进度，进行更合动作的挖掘和装载：铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位，使铲斗和斗杆油缸闭锁，再操纵动臂油缸换向阀，便动弼油缸的下腔进油，将动臂提升，举起装满土的铲斗离开工作面，Ki即扳动平台回转换向阀手柄,使上部平台回转，带动铲斗转至运输车辆上方，再操纵斗杆油缸使铲斗高度稍降一些，井在适当的高度操纵铲斗油缸使铲斗卸土。土方卸完后，使平台反转并降低动臂，直到那斗回到作业点上方，以便进行下一工作循环。2.2液压挖掘机反铲装置的结构及工作特点分析2.2.1反铲装置的结构组成在液压挖掘机的主要运动功能中，现主要时工作装置反铲装置的结构分析：要完成周期性作业动作成，需装备有下列基本组成部分：工作装置、回转机构、动力装置、传动操作机构，行走装置和辅助设备。而反铲装置是中小哒液压挖掘机的主要工作装置。目前广泛应用的斗容量在1.6n?以下。如图2T反铲装置结构简图所示，它由1.铲斗2.连杆3.摇杆4.铲斗油缸5.斗杆6.斗杆油缸7.动弼和8动将油缸组成，其构造特点是各部件之间的联系全部采用较接，动转卜较点钱接在转台上，利用动再油缸的伸缩，便动将绕动臂卜钱点转动，依靠斗杆油缸使斗杆绕动性的上钦点摆动。而铲斗较接于斗杆前端，并通过铲斗油缸和连杆使铲斗绕斗杆前较点转动。为增大铲斗转角，通常以连杆机构与铲斗连接，从而通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。8图2-1液压挖掘机工作装盥结构图2.2.2反铲装置的主要运动功能及工作特点分析主要运动功能包括以卜几个动作：整机行走、平台回转、动将升降、斗杆收放、铲斗装卸以及其它9自助动作2,如下图所示。其中整机行走主要作用缶于整机移动及调整作业位置，平台回转作用在于装卸土方时不同工作位置的切换调整：动将升降、斗杆收放、铲斗装卸三种动作多是复合进行，主要用于挖掘及装卸作业。除了辅助动作（例如整机转向等）不需全功率驱动以外，其它都是液压挖掘机的主要动作，一般要进行全功率驱动研究。由于液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，对主机的工作有两项要求：实现各种主要动作时，随着阻力与作业速度的变化，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能相应变化：为了充分利用发动机功率，缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作（例如挖掘与动再下降、提升与回转）同时进行曳合动作。图2-2液压挖掘机的主要作业形式1 .整机行走：2.平台回转：3.动臂提升或下降：4.杆收缩或伸出：5,铲斗的回收与打开2.3. 3液压挖掘机作业循环和复合动作液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括：(1)挖掘：通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，两者配合进行挖掘“因此，在此过程中主要是铲斗和斗杆的更合动作，辅助配以动臂动作。(2)满斗举开回转：挖掘结束，动臂液压缸将动离顶起，满斗提升，同时回转液压马达使转台转向卸载位置，此时主要是动臂和回转的纪合动作。(3)卸载：转到卸载位置时，平台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲斗液压缸回缩，铲斗卸载。为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和铲斗的匏合动作，兼以动臂动作。(4)空斗返回：卸载结束，平台反向回转，动铐液压缸和斗杆液压缸配合，把空斗放到新的挖掘点，此时是回转和动情或斗杆的曳合动作。(5)整机移动工况：将整机移动至合适的工作位置，(6)姿态调整与保持工况：满足停放、运输、检修等需要。(7)其他辅助作业工况：辅助工作装置作业工况。液压挖掘机的反铲装置主要用于挖掘停机面以下土堞(基坑、沟壕等)。其挖掘轨迹决定于各缸的运动及其相互配合情况。下面具体分析动臂挖掘、斗杆挖掘、转斗挖掘这几种情况:（D动臂挖掘：当采用动情油缸工作来进行挖掘时（斗杆和铲斗油缸不工作）可以得到最大的挖掘半径和最长的挖掘行程。此时铲斗的挖掘轨迹系以动行下钦点为中心，斗齿至该较点的距离为半径所作的圆弧线。其极限挖掘高度和挖掘深度（不是最大挖掘深度）即圆弧线之起终点，分别决定于动普的最大上倾角和下倾角（动戕与水平线之夹角），也即决定于动制油缸的行程。由于这种挖掘方式时间长而且由于稳定条件限制挖掘力的发挥，实际工作中基本上不采用。（2）斗杆挖掘：当仅以斗杆油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹为圆弧线,弧线的长度与包角决定于斗杆油缸的行程。当动臂位于最大下倾加，并以斗杆油缸进行挖掘工作时，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也仃较大的挖掘行程。在较坚硬的土质条件下工作时，能够保证装满铲斗，故挖掘机实际工作中常以斗杆油缸工作进行挖掘。（3）转斗挖掘：当仅以铲斗油缸工作进行投报时，铲斗的挖掘轨迹也为圆弧线，孤线的包角及孤氏决定于铲斗油缸的行程。显然，以铲斗油缸工作进行挖掘时的挖掘行程较短，如使铲斗在挖抠行程结束时装满土壤，需要有较大的挖掘力以保证能挖抠较大厚度的土壤。所以般挖掘机的斗齿最大挖掘力都在采用铲斗油缸工作时实现。采用铲斗油缸挖掘常用于消除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率。因此，在一般土方工程挖掘中，转斗挖掘较常采用.在实际挖掘工作中，往往需要采用各种油缸的联合工作。如当挖掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁时，则需采用动再与斗杆两种油缸的同时工作，当挖掘坑底，挖掘行程将结束为加速将铲斗装满土，以及挖掘过程需要改变铲斗切削角等情况下，则要求采用斗杆与铲斗油缸同时工作。虽然此时挖掘机的挖掘轨迹是由相应油缸分别工作时的轨迹组合而成.显然,这种动作能够实现还决定于液压系统的设计。当反铲装置的结构形式及结构尺寸己定时（包括动铐、斗杆、铲斗尺寸、较点位芭，相对的允许转角或各油缸的行程等），即可用作图法求得挖掘机挖掘轨迹的包络图，即挖掘机在任一正常工作位设时所控制到的工作范雨。对于反铲装宜主要的工作尺寸为最大挖掘深度和最大挖掘半径。包络图中可能有部分区间靠近甚至深入到挖掘机停机点底下，这一范围的土壤虽可挖及，但可能引起土壤的崩塌而影啕机械的稳定和安全工作，除有条件的挖沟作业外一般不使用。挖掘机反铲装置的最大的挖掘力决定于液压系统的工作压力、油缸尺寸，以及各油缸间作用力之影响（斗杆、动泻油缸的闭锁压力及力臂）外，还决定于整机的稳定和地面附着情况。因此反铲装设不可能在任何位置都能发挥最大挖掘力。图23YC2551.C-8液压挖掘机反铲装置工作范困2.3反铲工作装置的设计优化原则(1)主要工作尺寸及作业范围的要求：液压挖掘机工作装置的几何尺寸要求满足一定的作业范围和合适的运输尺寸，几何尺寸之间要求不能发生干涉，满足运输或停放时应有合理的姿态要求：此外，在设计时应考虑与同类型相比时的先进性，性能与主参数应符合国家标准的规定1(2)工作装置的几何尺寸要求满足整机挖掘力大小及分布情况的要求：这要求工作装置满足合理的挖掘力分布特性，在整个作业范围内的任何位置都要求实现最大挖掘力弁不经济，而要求挖掘机在主要挖掘区内能实现最大挖掘力。主要挖掘区是指用最合理最经常的挖掘方式，鼓经常进行挖掘的区域，对液压挖掘机来说最合理最经常的挖掘方式是指挖掘地面以下，由下向上，向机身运动的挖掘方式，用这种方式挖掘效率高，循环时间短：(3)经济性评价指标要求：液压挖掘机经济性评价指标有能量指标、作业循环时间减小、机求轻、延长维修周期和挖掘机寿命周期、加快维修进度和降低维修费用、司机操作的舒适性等。能量指标即消耗于单位土方的能i,常用来表征工作装置结构现代化的程度，这种符合能量指标的工作装苴应能完全满足技术与使用要求，且足够可靠，从能量指标角度来看，要求液压挖掘机的挖掘力大，工作袋置的重量轻，挖掘速度高。决定挖掘机生产率的基本因素是工作循环时间包括挖掘时间、向卸载点运行时间、卸载时间、向工作面返回时间。(4)工作装置刚度和强度要求：液压挖掘机结构强度是，作袋置设计的关键之一，工作装置的结构和所承受的载荷是十分更杂的。要求满足工作装置各部分的受力的情况下，保证工作装设的强度和刚度特性。在设计液质挖掘机的工作装置时，要求尽可能减少焊缝和变形，这不仅增加了构件强度，而且缩短制造周期，降低了成本。要求动臂下支点及动铐油缸支承在平台主梁的整块钢板上，这不仅增加构件强度而且减少焊接，而且防止焊接变形。斗杆要求采取整块钢板下料。为了减少焊接变形及焊接应力，要求采用型钢及压型等结构。在结构件设计中为求等强度，要求采取局部加强的措施。住实际设计工作中，动聘斗杆改为焊铸结构，在应力较高的部位以铸代焊，这样大大提高了结构件的冲击和疲劳强度。为确保焊接强度，要求所有钱接部采用铸钢件。结构件的破坏主要是由于冲击疲劳，因此实际破坏时常不在负荷最大部位，而是应力集中部位。为减少应力集中，应使焊与应力集中部位错开，在主要受力较接支承处采用铸钢件。(5)应考虑零部件的通用性和稳定性：通过实现零部件的标准化、组件化和通用化，降低挖掘机的制造成本；提高液压挖掘机各功能部件的工作可靠性和耐久性，以满足液压挖掘机作业条件恶劣的要求。(6)工作装置应安全可靠，拆装方便：降低振动和噪声，重视其作业中的环保性，方便操作都的维修及保养工作。(7)满足特殊使用要求。如巷道挖掘机需满足作业上方落土的特殊性，斗杆油杆采用动将保护的设计以保护油缸不受伤宙。第3章反铲工作装置中斗杆的设计分析3.1 有限元分析软件ANSYS御介ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的通用有限元分析软件，可以广泛的用于机械制造、航空航天、石油化工、能源、交通、国防、土建、地矿、水利、生物医学、日用家电等一般工业及科学研究领域。ANSYS具有多种物理场的耦合功能，允许在同一个模型上进行各式各样的耦合计算，如：热-结构耦合、感-结构耦合等，这样就确保J'ANSYS对多领域多变工程问题的求解，该软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、优化设计、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言(APD1.)的扩展宏命令功能。基于Motifm菜单系统使用户能够通过对话框、卜拉菜单和了菜单进行数据输入和功能选择，为用户使用ANSYS提供导航。在产品设计中用户可以使用ANSYS有限元分析软件对产品的性能进行仿真分析。发现产品问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计成功率。ANSYS软件能与大多数CAD软件实现数据共享与交换，ProcnginecrNaStranA1.ogOrI-DEAS和AUI。Cad等，它是现代产品设计中高级的CAD/CAE软件之一9。现代设计方法表明，产品设计费用虽然只占产品整个成本的5%,但它却影响产品整个成本的70潜在的问题越早地得到解决，设计的成本与周期的降低效果越明显。因此，CAE分析应该提前到概念设计阶段，在零部件设计阶段就应该进行CAE分析.但成F上万的零部件都进行刚强度校验，分析部门的人力根本不能支持。因此，由设计人员来负贡对自己设计的零部件进行分析，已成为企业的迫切需求。但目前的CAE软件对设计人员来说使用门槛较高，应该为他们量身订制CAE分析工具。针对此需求ANSYS公司创新性地推出一款专用的现代CAE应用程序开发平台WorkbenchWOrkbenCh模块具有参数化功能，在建模时可将设计尺寸、材料或载荷大小等参数化，然后提交给希里的求解器求解.计算结果返回WOrkbenCh程序进行结果显示。若用户对当前的设计方案不满意，可重新设苴参数，再求解，直到对当前的设计方案满意为止。这些满意的设计参数在此处可以直接返回对应此模型的CAD软件中(双向互动参数传递功能)，生成候选的设计方案。CAE专家负责对所有将要植入此程序的零部件在CAE软件中仔细研究，总结分析经验，确定模型化方案，如载荷如何施加、网格如何划分、载荷步如何设置、进行哪些分析类型、应该提取哪些计算结果等。将这些分析经验固化到程序中，所有与CAE模型化相关的过程完全封装在后台运行。使用这些程序的人（通常是设计人员）所面对的界面非常简洁，可能只是看到几何尺寸、零件材料、工程载荷的大小等必要数据的修改界面，使用者无法卜预模型化过程。这样可有效地保证分析工程的标准化，分析结果的正确性由分析专家来保证，从而不再出现不同的分析者带来不同的分析结果的现象，最大限度地避免了错误的发生。Workbench有三个模块组成：D几何实体建模工具DeSignMode1.er2）快捷分析工具DesignSimu1.ation3）快捷优化工具DesignXp1.orer3.2 运用ANSYS软件对优化后斗杆体进行应力分析将优化后的斗杆从PME软件导入ANSYS中进行施加约束、载荷及应力分析。3.21斗杆、动耸的施加约束、载荷约束能够限制模型的某些自由度，以模拟其实环境进行分析。约束种类分为点、线、面、旋转对称四种。每一台挖掘机的挖提_E况由动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的变化可以组成几万种工况，所以如何确定工作装置（动臂、斗杆）在外载荷作用下的一个或几个最不利工况作为挖提机工作装置强度计算的工况，进行精确的强度校核，从而设计出更为经济合理、安全可靠的液压挖掘机，是非常重要的。据此，我们选择如下工况：铲斗油缸主动发挥，动臂油缸小腔，斗杆油缸大腔闭锁的情况下进行斗杆的受力分析校核，该情况下斗杆与动臂连接点为固定旋转轴：在该工况下，斗杆受力最为恶劣，其中铲斗油缸工作压力为31.5Mp”,斗杆油缸、动臂油缸处于闭锁过载状态。皿桓Nriftut务力图3-1ANSYS工作界面其中，选取斗杆与动臂连接的点A为FixedSUPPor1.,斗杆与铲斗连接点B、C,斗杆与摇杆连接点D、E,铲斗油缸与斗杆连接点F,斗杆与斗杆油缸连接点G、H为施力点这样,5013182=250660N161652一_2-=80826N135Ff=POYAP_£三31.5X1O*×3.14×XIO4=443080N659145-=329572N2FA=799737N659145N图3-2斗杆在挖掘机构中的受力图将斗杆在挖掘机构中的受力图中多点受力按X、Y轴方向进行投影可得:FQ=FCX=250600N,Fgy=Fcy=544IN;Fox=Fe=-15967N,Fby=Fey=79233NF=441260N,Fg=-40080N;Fc=Fa=-10585N,Fc=Fay=3121IOno将以上点B、C、D、E、F、G、H在X、Y方向的受力情况数据输入ANSYS中Detai1.OrBearingse1.eCting项目栏中，这样完成载荷的分布。工况1（正常）Tifne:1.JiFixedSupportBBearing1.oad:2.5（）66e+（X）5N（Bearing1.oad2:2.5O66e+OO5NDBearing1.oad；:80x26NErB以ring1.oad4:80826N1.oad544308e+005NIBearing1.oad63.2957c+005NBBearing1.oad73.2957c+5N图3-3载荷施加图3.2.2斗杆体的网格划分有限元分析技术（FiniIeE1.ementMemXi）是一种数值离散化方法,根据变分原理求其数值解。它是近30年来工程计算方法领域中的一项重大成就，是结构或多自由度体系分析的有力工具，有限元软件已成为CDCAM系统的重要组成部分。有限元的基本思想是：在结整体结构进行结构分析和受力分析的基础上，对结构加以简化，利用离散化方法把简化后的连续结构看成是由许多有限大小、彼此只在有限个节点处相连接的有限电元的组体。然后从单元分析入手，先建立每个比元的刚度方程，再通过组合各单元，得到整体结构的平衡方程组（也称总体蜀度方程），最终引入边界条件，用计身机对方程组进行求解，便可得到问题的方程近似解。用有限元进行结构分析的步骤是：结构和受力分析一离散化处理一整体分析一引入边界条件进行求解。在复杂机械系统的设计过程中，应用有限元来处理具有很大的优越性。在ProENGINEER2001和Pro/ENGINEERWi1.dfire,有限元分析软件作为CAE模块构成火中的组成部分。研究表明，用有限元进行结构的强度分析，既准确、经济，又能得出结构件在各个工况下的应力分布情况。网格划分是有限元分析的核心.PrWENGINEERWi1.dfire的IntergratedMode（集成模式）中采用AUtQGEM（自动网格划分），用户可以直接操纵AUtoGEM进行网格划分。而此前版本（Pro，富2000、PWE2001）是由程序自动完成的。改变AuioGEM的参数设置，可以对网格重新进行划分，系统显示网格划分信息，根据需要改进网格划分。AutoGEM虽然能够自动完成绝大多数几何模型的网格划分，但当建立的几何模型存在细节问题，需要对模型适当简化，处理那些对影响分析结果而对网格划分影响较大的细节。模型的检查方法：抑制所仃非必须存在的特征，减少生成单元总数，将圆角特征、未对齐特征以及变截面混成与扫描特征简化为一个点：对模型设计意图、曲面斜率、最小长度、组件的零件之间的间隙、干涉情况进行检查；清除所有存在问题的几何元索：避免装配分析时组件处于过约束状态。模型简化时的特征处理：模型的荷化就是对实际物理模型适当简化,通过抑制或齐删除那些对实际问题研究没有影响的特征，从而从而减少模型特征数，达到降低网格总元总数，缩短时间的目的。下面主要对倒角和拔模特征进行讨论。1、倒用特征：倒用特征包括圆角倒角和斜角偏角两类，简化时应考虑：外圆用通常时结构分析结果没有影响：内圆角通常时结构分析结果有较大的影响：尖锐倒角可能在分析中产生与实际情况不相符的应力集中现象：如果将模型处理成薄壳模型，那么内圆角也应该删除或者抑制掉，这是因为薄壳模型中需要定义平行的面对，而在模型中不能找到和内圆角表面平行的曲面。2、拔模特征：对于拔模特征，在简化时应考虑：如果分析的是实体模型，那么拔模特征的存在对于分析没有影响；如果分析的是薄壳模型，需要对拔模面进行处理，这是因为在模型中不能找到和拔模面平行的表面以生成薄壳面对。处理方法：删除或抑制拔模特征：修改拔模面角度为0度。对YC255-81.C斗杆进行如下划分：½Dctai1.sorBodySizing-Sizing中的E1.ementSize栏中选用“0.05”进行网格划分，网格划分情况结果如下：(M强-口.斗2«OJSOO.75OctryW<xt<hcct入PriinPrCViCW入RCPortPreview图3-4斗杆单元格划分(1)对斗杆进行应力分析：运行计算机程序，得出斗杆应力云图如下：0.0001.0002.«XXm)11图3-5斗杆应力云图(2)结果分析:斗杆焊接材料为Q345A.故从以上斗杆应力云图中可以看出，安全系数=345188.83=1.827>1.5其中，5=1.5为设计经验值。表明分析结果符合我们对2551.C工作装置中斗杆的设计要求。3.3液压挖掘机对比试验为进一步进行验证液压挖掘机斗杆优化前后的实际试验效果，我们对出厂编号为2153502的液压挖掘机进行装配新旧两斗杆进行实际挖提土方对比分析，对比参数采用每小时的燃油消率。下图为液压挖掘机进行实验挖掘作业的情景：图3-6YC2551.C液压挖掘机挖土作业试验如下表为YC2551.C液压挖掘机进行斗杆更改前后进行挖掘作业的油耗、效率对比表.其中，表4为YC255If液压挖掘机在斗杆更换前的试验数据，表5为斗杆更换后的试验数据。表31YC2551.C液压挖掘机斗杆更改前的试验数据挖掘机油耗、作业效率试验记录表样机型号：YC255出厂号：89200502种斗容量：I2r式验地点；玉柴工程公司优版人员：黄衍林、发海，王建勃表25测定他作业方式总时间(三)总油耗Ift(1.)循环次致(次)总挖土A(m>)平均Jfi环时间<x)燃油沼耗率(U)单位燃±重(mP1.)Tj.1率(nA)注14挖掘WOO13.59553-63,6116.9827190254402挖掘WOO54M8416.679.44.25920表3-2YC2551.C液压挖掘机斗更改后的试验数据样机型号.C三1.C-8出厂笫号：89200602胪斗客域.1.2m>i½Jt1.