大型液压正铲挖掘机工作装置有限元分析及应力测试解读.docx

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大型液压正铲挖掘机工作装置有限元分析及应力测试解读

第5卷第2期2007年4月

中国工程机械学报

UHINESEJOURNALOFCON明强UCTlONM删№RY

Vbl.5No.2&or.2007

大型液压正铲挖掘机工作装置

有限元分析及应力测试

陈进,吴俊,李维波,王旭东

（重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400030

摘要:

针对某大型液压正铲挖掘机,使用Pro/Engineer软件对其工作装置进行实体建模,并对各部件（动臂、斗杆和铲斗最不利工况的模型进行受力分析,求出各铰点和被动油缸的受力.分别建立各部件的有限元模型,然后应用ANSYS软件的静力分析模块对其进行有限元强度和刚度分析,得出各部件的应力和变形云图.最后采用静态应变仪对工作装置进行现场应力测试,将试验结果和理论计算进行比较,对有限元分析结果进行了验证.从而为改进挖掘机设计、提高挖掘机工作的稳定性提供了理论依据.

关键词:

大型正铲挖掘机;工作装置;有限元;应力测试

中图分类号:

TH17文献标识码:

A文章编号:

1672—5581（200702—0198—06

Finiteelementanalysisandstresstestingformanipulatorin

large・-sizedface--shovelhydraulicexcavators

CHENJin,wUJun,LIWei—bo,WANGXu一幽孵

（StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China

Abstract:

Thehydraulicexcavator,animportantcategoryofconstructionmachinery,isbroadlyutilizedinthenational—economy・relatedconstructionprojectswithregardtotransportation,road—building,mining,forestry,irrigation,municipalworksandnationaldefense.Pertainingtothemanipulatorofalarge-sizedface-shovelhy.draulicexcavator,thesolidmodelsofsuchcomponentsaSboom,armandbucketareestablishedbasedonPro/EngineerTMtosolveforcesofarticulatedpointsandpassivecylinder.Underdetrimentalworkingconditions,thestaticmechanicsanalysisisconductedforfiniteelementanalysis（FEAviaANSYS彤.Afterwards,themanipulator’Sstrengthandrigidity,togetherwithstressanddisplacementdeformationcontourdiagrams,areobtained.Finally,theon-sitestressofmanipulatoristestedusingastaticstraingauge.Incomparisonwiththetestingandcalculationresults,theFEAresultsareverified.Therefore,thisapproachwillpromotethede—signeffcjctivenessandworkingstabilityofhydraulicexcavators.

Keywords:

large..sizedface--shovelexcavator;manipulator;finiteelementanalysis;stresstesting

液压挖掘机是一种重要的土石方施工机械,广泛用于国民经济建设中的交通道路建设、矿山农林水利、市政建设和现代化国防建设事业中.本文针对某大型液压正铲挖掘机的工作装置,使用Pro/Engineer建立其各个部件（动臂、斗杆和铲斗的三维实体模型,并选取各部件的最不利工况对其进行静力学分析[1|,然后使用ANSYS对其进行有限元强度和刚度分析.最后对工作装置进行现场静态应力测试,以对有限元分析结果进行验证评估,从而为实际设计提供有价值的参考.

作者简介:

陈进（1956~,男,教授,博士生导师,工学博士.E-mail:

chenjin413@yhoo.corfl

第2期陈进,等:

大型液压正铲挖掘机工作装置有限元分析及应力测试

1有限元分析的前处理过程

1.1建立实体模型

鉴于Pro/Engineer建模功能强大、方便陕捷,所以采用Pro/Engineer分别建立动臂、斗杆和铲斗的三维实体模型.在建模时为了使后面的有限元分析结果可靠,应尽量按实际模型的形状和尺寸建模.同时为了使网格划分J顷利,应适当简化很细小的几何形体,如细微的倒角、斜面,对分析结果影响很小的小吊环等[2]2.

使用Pro/Engineer建模的主要步骤如下:

①设置工作目录,选择建立“零件”;②进入草图模式绘制模型的截面;③使用拉伸、旋转等特征将草绘截面生成三维实体.

动臂、斗杆、铲斗的三维实体模型如图1所示.

1.2建立有限元模型

建立有限元模型是有限元分析中非常重要的一步,

其直接影响到后续有限元计算的精度.建立有限元模型

的主要步骤如下:

（1在Pro/Engineer中将实体模型以IGES格式导

出,然后再导人到ANSYS中:

由于格式转换的误差,导

致一些几何数据信息丢失,会出现有几个面不能正确地

裁剪,变成大平面的情况.解决的方法是首先增大导人

时的“容差”,看情况有无改善;其次,需要借助于AN—SYS的修复工具进行修复,删除有问题的面,再重新生

成正确的面.修复完毕后就生成了一个实体.（2按材料类型切分实体模型:

由于构件不是一种材料制成的,分为铸造件和钢板,要分别给它们赋予材

b斗杆C铲斗

图1工作装置三维实体模型

Fig.1Manipulator’S3Dsolidmodels

料属性,所以必须对模型按材料类型不同进行切割,使每一部分是同一种材料.

（3赋予单元属性和材料属性:

因为模表1工作装景的材料类型及参数

型是三维实体的,而且不规则,所以单元类Tab・1Typesandparametersofmanipulator’smaterial

型选择SOLID92（10节点四面体单元,其

在四面体每条边上都有中间节点,是2阶单

元,精度比1阶单元要高.材料分为2种:

钢

板为Q345（16Mn,铸造件为ZG35Mn.这两种材料的参数见表1.

（4划分网格:

网格划分得好坏,直接影响到求解的精度.划分很差的网格会使求解精度严重降低,甚至还会导致不能求解.ANSYS提供2种网格划分的方式:

智能划分和手工划分.智能划分是ANSYS所提供的强大的自动分网工具,有自己的内部计算机制,使用智能划分在很多情况下更有利于在网格自动生成的过程中生成形状合理的单元,所以这里首选智能划分方式来划分网格.若智能网格划分失败（如几何形状复杂的部位,则采用手工划分方式,设置每个面的单元的尺寸大小【3,4].

图2是工作装置（动臂、。

}.杆和铲斗的有限元模型.

图2工作装置有限元模型

Fig.2Manipulator'sfiniteelement

models

200中国工程机械学报第5卷1.3确定边界条件

为了消除总刚度矩阵的奇异性,必须消除模型的刚体位移,可以对某些节点施加约束.其约束条件为:

所施加约束刚好消除全部刚体自由位移,或把约束改为刚度足够大的边界元,作为校核载荷平衡的补充办法.挖掘机的工作装置与前车架由动臂铰点、动臂油缸连接在一起.因此,可以将动臂铰点作为工作装置的支点,把液压缸作用力作为载荷加在动臂上.动臂和斗杆的连接铰点,对动臂来说,将其视为外载荷处理;而对斗杆来说,则将其作为支点处理.斗杆和铲3}.也作类似处理.

1.4受力分析

使用Pro/Engineer的“力平衡分析”功能来确定工作装置各部件的载荷.Pro/Engineer只能对自由度为零的系统进行力平衡分析,所以必须通过使用连接锁定、在两个主体问使用主体锁定、在某点使用测力计锁定或对连接轴使用活动的伺服电动机,使机构的自由度减为零.使用Pro/Engineer的装配模式对动臂、斗杆和铲斗进行装配,然后将其拖动到某一给定姿态,并固定（即使其自由度为零,在主动油缸铰点处施加主动油缸作用力,这样Pro/Engineer就可以算出各铰点处的力和挖掘阻力.

每一台挖掘机的挖掘工况由动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的变化可组合成几万个工况,所以应选取工作装置各部件（动臂、斗杆和铲斗在外载荷作用下的最不利工况（即受力最大工况进行分析.

（1对动臂,其受力最大工况是最大挖掘半径工况,即斗杆缸全伸、斗齿尖点位V位于动臂铰点C和斗杆、铲斗铰点Q连线的延长线上,且CQV三点为水平.经受力分析得动臂的受力情况,如图3所示.

经Pro/Engineer分析求解得:

Fd=814.24

kN,G1247.52kN,Fb21784.04kN,Fg2

636.99kN.Ff=1417.68kN.

（2对斗杆,其受力最大工况是斗杆缸作用力

臂最大的位置,即斗杆缸力作用线与铰点B,H的

连线垂直.经受力分析得其受力情况,如图4所示,

F。

为切向挖掘阻力.经Pro/Engineer分析求解

得:

F斗杆缸=814kN,G2=18.962kN,F。

=

358.916kN。

Fy=1470.009kN.（3对铲斗,其受力最大的工况是铲斗缸作用图3动臂的受力模型

Fig.3Pmom"sforcem（xlel

力为主动力,且其力臂为最大（即铲斗缸力作用线与铰点Q,K连线垂直的工况.经受力分析得其受力情况,如图5所示,经Pro/Engineer分析求解得:

F铲斗缸=1286kN,R=1459.59kN,Fw=337.5kN.

爿傣躐1

一‘耳卡f=缸=813888kN坠

{薄j艮、只耸图4斗杆的受力模型Fig.4Arm7Sforcemodel2计算结果的处理和分析

工作装置各部件的最大位移D。

。

见表2

一

图5铲斗的受力模型

Fig.5Bucket’Sforcemodel

第2期陈进,等:

大型液压正铲挖掘机工作装置有限元分析及应力测试

由以上数据可以看出,工作装置各部件的最大位移都比较小,在允许的弹性变形范围内,所以刚度是足够的.

由于载荷是以集中力的形式施加在模型上

的,所以在集中力施加处会出现应力集中,有些应

力值甚至超出许用应力很多,这是不合理的,应该

舍去.因这种节点很少,而且都在铰点处,对其他

部位没有影响,所以对分析结果没有多大影响,是

可行的.表2工作装置各部件最大位移D—Tab.2Maximaldisplacementofmanipulator’Sparts

动臂的应力云图见图6,动臂的上半部分的最大值为60.5MPa.其中上盖板应力较小,非弯曲部分的应力<9MPa,弯曲部分的应力为20~40]VIPa;动臂下半部分应力较大,越往下应力越大.两侧板应力呈层状分布,最下部应力最大,达到80MPa.

图6动臂应力云图

Fig.6Stresscontourofboom

斗杆的应力云图见图7,斗杆的两侧板和上盖板的弯曲区域应力为33--70MPa,两侧板与上盖板弯曲处相连接的区域应力为66~100MPa,上下盖板与左右支承座连接处应力为70~110MPa.

图7斗杆应力云图

Fig.7Stresscontourofaim

铲斗应力云图见图8.斗前在斗齿连接附近区域应力较大,所以要用高强板.两侧板与底板连接的部分应力为40~60MPa.斗前轴承的最大应力达到70.7MPa;斗后后板在两方形孔圆角处应力较大,约为80MPa,然后逐渐向外扩散.

由于Q345的强度极限为345MPa,ZG35Mn的强度极限为340MPa,考虑到安全系数的原因,工作装

置各部件的强度基本足够.

中国工程机械学报第5卷

图8铲斗应力云图

rig.8Stresscontourofbucket

3有限元计算与应力测试的对比分析

3.1工作装置的应力测试

应力测试采用一台YE2539高速静态应变仪担任测试工作,配一台计算机作为上位控制计算机,如图9所示。

按照以上分析的3种工况对工作装置进行测试,为了

确定工作装置的姿态,使用3个HY65一D型角位移传感

器来分别测量动臂相对于机座、斗杆相对于动臂和铲斗相

对于斗杆的转角.将它们分别安装在动臂与机座、斗杆与

动臂和铲斗与斗杆连接的销轴的中心处.

因为不知道应力的方向,所以采用45。

直角型应变花

进行应力测试.应变花的3个应变片分别测量测点处0。

45。

和90。

方向上的应变.

3.2测试数据处理及与有限元计算的对比分析图9应变测试仪

测试的是各测点的0。

45。

和90。

三个方向上的应变,rig.9Strainmeasuringinstrument

要通过公式（1将应变转换为主应力,再通过第4强度理论公式将主应力转换为VonMises应力[5J5.

盯一2才与“。

+￡90+赢√“。

-e。

s2“e451扩

仃商n2志（e。

+e∞一赢√（￡。

一e。

s2+（e。

s—e∞2（1

式中:

E为弹性模量;y为泊松比;eo,e45,e90为0。

45。

和90。

方向上的应变.

工作装置各工况的代表性测点的VonMises应力测试值与有限元计算值对照如表3所示

表3测试值与有限元计算值对照

Tab.3Compareresultsofmeasuredwithfinitedementcalculating

values

第２期陈进，等：

大型液压正铲挖掘机工作装置有限元分析及应力测试２０３由对照结果可以看出，各测点的误差均较小，两者基本吻合．出现误差的主要原因是：

模型的简化和测试时挖掘机的工况与计算工况存在差异．其中斗唇处测点的误差稍大，这是因为实际挖掘时斗齿接触的是石块，斗齿受力比较复杂，实际挖掘阻力与理论挖掘阻力相差较大．由表３还可看出，斗杆根部侧板处的测点应力较大，这是因为斗杆和铲斗可以简化成悬臂梁，同时受斗杆缸作用力和挖掘阻力作用，斗杆根部相当于悬臂梁的根部，所以其应力较大．４结论通过使用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ和ＡＮＳＹＳ对挖掘机工作装置进行有限元强度和刚度分析，并通过应力测试与有限元计算结果进行对比分析，可看出有限元分析结果是可靠、合理的，同时说明该挖掘机的工作装置基本满足强度和刚度要求．有限元的分析结果为实际设计提供了有价值的参考，同时分析过程也为其他工程机械的设计分析提供了可行的方法和手段．参考文献：

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ＣｃｍｔｒｕｃｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓｏｆＣｈｉｎａ，１９９９．・下期文章摘要预报・支座位移对轮胎式起重机臂架弦杆临界载荷的影响宓为建，张卫国轮胎式起重机的臂架为桁架结构，该结构的支座位移对臂架弦杆的临界载荷将会产生影响．给出了考虑支座位移后轮胎式起重机臂架弦杆临界载荷的计算方法．通过算例说明了考虑支座位移后，轮胎式起重机臂架弦杆的临界载荷将有很大程度的减小．万　方数据

大型液压正铲挖掘机工作装置有限元分析及应力测试作者：

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年，卷（期：

被引用次数：

陈进，吴俊，李维波，王旭东，CHENJin，WUJun，LIWei-bo，WANGXu-dong重庆大学,机械传动国家重点实验室,重庆,400030中国工程机械学报CHINESEJOURNALOFCONSTRUCTIONMACHINERY2007,5（23次参考文献（4条1.孙仁博;王天明材料力学19992.美国ANSYS公司北京办事处ANSYS结构分析指南20023.蒋孝煜有限元法基础19924.陈精一;蔡国忠电脑辅助工程分析ANSYS使用指南2001引证文献（3条1.铁巍巍.王晓枫.杨茹萍.周雍挖掘机动臂有限元模态分析[期刊论文]-机械设计与制造2011（32.李燕.李建伟.杨玉姣基于ABAQUS的液压反铲挖掘机斗杆的有限元分析[期刊论文]-煤矿机械2010（23.高成国.林慕义.任颖颖大流量电液换向阀强度有限元分析[期刊论文]-北京信息科技大学学报（自然科学版）2009（2本文链接：