挖掘机动臂有限元分析

WY10B挖掘机动臂强度分析（一拖（洛阳）工程机械有限公司洛阳 471003）摘要：以WY10B液压挖掘机为研究对象，对反铲挖掘机工作装置——动臂建立Pro/E实体模型，并用Pro/MECHANICA模块对挖掘机动臂的设计模型在受最大应力的危险工况下进行有限元强度分析。

对实体动臂在危险工况下进行实际应力测试，与有限元分析结果进行对比，分析差异，为挖掘机动臂改进提供理论和实际依据。

关键字：液压挖掘机动臂有限元应力中图分离号：**** 文献标示码：A1.概述液压挖掘机是工程机械的主要产品之一,具有较高的技术含量和工作效率，它被广泛应用于建筑、筑路、水利、电力、采矿、石油、天然气管道铺设和军事工程等基本建设之中。

动臂是挖掘机工作装置(铲斗、斗杆、动臂) 3 大部件之一[1],是主要承载件。

在挖掘过程中,动臂直接或间接承受很大外力。

作业环境的状况也对动臂的强度和变形在一定程度上造成很大影响。

目前,在国内液压挖掘机设计中,对动臂的应力进行分析的较多,而对理论与实际结合分析较少。

本文结合WY10B挖掘机的实际作业工况,对挖掘机动臂在受力最大的典型工况下挖掘时进行强度分析和实际应力测试,为挖掘机动臂设计提供理论和实际依据。

2.计算工况选择对挖掘机动臂进行强度分析时,分析采用的工况必须是有限元模型受力最大的危险工况[2]。

根据挖掘机的连接情况, 使用Pro/ MECHANICAMOTION 模块对其进行动力学分析,利用Pro/MECHANICA MO TION 模块的运动仿真功能,模拟工作装置的运动情况,求出了动臂受力最大的工况。

分析发现,危险断面最大应力发生在采用铲斗挖掘的工况下，因此计算位置可按以下条件确定：1）、动臂位于动臂油缸作用力臂最大处；2）、斗杆位于斗杆油缸作用力臂最大处；3）、铲斗位于发挥最大挖掘力位置。

3载荷计算工作装置各构件通过销连接，在计算工况中不考虑偏载的影响，可以认为其只承受X、Y向的力，整个结构为静定结构，在计算工况中，铲斗缸产生主动力，大腔半径为27.5mm，压力为28MPa，则最大推力为：F G =R G=πr2P=π×0.02752×28×106=66489.5 N分别求得动臂各铰点的反力如下：动臂各铰点支反力：以上求出的力都是合力，在实际结构中，铰点处的受力并非集中力，而其附近的应力分布又是我们所关心的，为模拟实际情况，作如下假定：1）、载荷在X-Y面内在180°范围内按余弦分布；2）、分布力的方向为沿销孔表面的法向；3）、载荷在Z向均布；由假定构造载荷分布函数为： 式中：F (θ ) = A cos (θ-α) (1) A 为待定常系数，合力R 已知，分布力F 在P 向的合力应等于R ，即式中：l 为销孔长度，r 为销孔半径。

基于Pro／E5.0和ANSYSWorkbench14.5的挖掘机动臂有限元分析文章以反铲挖掘机的动臂为研究对象，对挖掘机最典型的几种工作状况进行分析，利用Pro/E和ANSYS Workbench两种CAE软件，先在Pro/E中建立了液压挖掘机动臂的三维模型，再对模型进行了强度分析和变形分析，给挖掘机动臂的设计提供了依据。

标签：挖掘机；工作装置；动臂；有限元前言挖掘机是工程建筑机械的主要机种之一，在建筑、交通、采矿、国防及城市建设等土石方施工中起着十分重要的作用。

随着应用范围的日益扩大，在设计理论和方法、分析和研究手段也有了质的飞跃。

本文利用PRO/E建立挖掘机的动臂模型，经Pro/E算出各铰点的受力情况，再利用ANSYS Workbench14.5对动臂的结构强度进行分析。

充分利用这2种CAE软件各自的特点，从而提高对问题的分析效率和计算精度。

1 动臂模型的建立反铲挖掘机的结构如图1所示，其工作装置主要有铲斗、铲斗液压缸、斗杆、斗杆液压缸、动臂以和动臂液压缸。

先对动臂实体结构特征进行分析，确定这些结构特征建立的先后顺序和每个实体特征的建立方法，保证模型所包含的参数尺寸尽量少，结构特征尽量简单。

分析和确定结构特征后，建立动臂模型。

Pro/E 提供了完整的建模功能，利用拉伸、旋转、切割、扫描、切除和抽壳等基本功能和曲面设计，建立工作装置的实体模型。

2 Pro/E与ANSYS对接3 动臂有限元分析3.1 定义单元属性、材料有关特性目前，绝大多数挖掘机的工作装置为不同厚度的16Mn钢材焊接而成，其屈服强度在275MPa附近。

Workbench实体单元类型采用默认的SOLID187，由于Workbench中没有16Mn，需添加新材料赋予新属性，设置动臂材料的基本参数如表1所示。

3.2 动臂网格划分一个好的网格非常重要，可以在求解过程中将误差降低到最小，避免引起数值发散和不正确得到不准确的结果，甚至还会导致不能求解。

挖掘机动臂的有限元分析挖掘机是一种广泛应用的工程机械。

尽管如此, 也往往是仿制, 缺乏建立在科学分析基础上的设计方法。

由于挖掘机作业的外载荷复杂多变, 难以采用传统的方法分析其结构特性。

我采用有限元方法对某挖掘机动臂的工作状态进行了分析, 对各国类似工作装置的设计有一定的借鉴意义。

该挖掘机的工作装置为反铲工作装置, 主要由动臂、斗杆、铲斗以及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸组成。

动臂、斗杆和铲斗均由高强度钢板焊接而成的箱形结构, 动臂根部用一根销轴铰接在平台前端中部, 由两只铰接在转台前部的动力油缸支撑。

油缸作伸缩运动, 动臂作升降运动, 其结构如图 所示。

1. 动臂有限元模型的建立及分析模型的简化动臂的整体式弯臂采用大圆弧过度以减小该处的应力集中, 结构简单, 重量轻。

其主体框架由上盖板、下盖板、左侧板、右侧板焊接而成。

在建立有限元 模型时, 由于一些小构件对整体刚度影响很小, 如焊接上的限位板、吊耳等, 均予以忽略。

载荷的分析：根据国内几种反铲装置的构件近似重量表2-7]7[查出：满斗处于最大半径时，整个的工作装置的总重量为： 5.37654321≈+++++++=T G G G G G G G G G 总t 即：力F ≈3500kg ×0.98=.3430N其中，q G T )8.16.1(～=， 在这里取1.6q由于载荷种类多, 分布复杂, 许多载荷要等效成节点力。

动臂模型应该是边界上全部给定载荷的平衡结构。

铰销外载荷的处理: 在挖掘机的铰接装置中, 铰销是铲斗与斗杆、斗杆与动臂、动臂与油缸之间的传力体, 受力情况比较复杂。

以往对销与销孔之间接触应力的研究缺乏理论依据, 都是按余弦分布等假想分布形式进行等效处理。

实际其间的接触应力的分布与材质、接触方式、配合公差等诸多因素有关。

其中，动臂应力分析图的研究属性和应力结果为：1）.零件属性2）.材料属性3）.载荷和约束信息载荷集约束4）.研究属性5）.应力结果位移结果）.67）.安全系数8）.结论通过对模型的有限元计算及试验分析可看出,用板壳单元建立的该有限元模型是可靠、合理的, 并且说明用有限元方法对液压挖掘机的动臂进行分析是一种行之有效的方法, 它可以全面掌握动臂的强度和刚度, 从而指导结构的设计。

挖掘机斗杆各铰点力计算及有限元分析挖掘机斗杆是挖掘机的重要部件，用于挥动斗杆和斗头来进行土方工程的作业。

在工作过程中，斗杆各铰点的力对挖掘机的稳定性和工作效率都有很大影响，因此需要对其进行力学分析。

首先，我们需要确定斗杆各铰点的坐标位置和挖掘机质量及载荷情况。

针对不同工况，我们假设挖掘机的几何形状和重量分布均匀，加载的土方质量也经过计算得出。

然后，我们可以采用静力学分析的方法，根据牛顿第三定律和受力平衡原则，计算出斗杆各铰点所受的力。

针对计算得出的力，我们可以采用有限元分析的方法进行进一步研究。

有限元分析是一种数值计算方法，能够模拟物体在受力过程中的变形和应力分布情况，以及预测其破坏的情况。

通过建立斗杆各铰点的有限元模型，我们可以预测斗杆各铰点在工作过程中的变形情况和应力分布情况。

有限元模型可以分为三个部分，即前臂-铰点模块、铰点转臂模块和转臂-机身模块。

每个部分都建立了一个三维模型，并给出了材料的属性、加载情况和边界条件。

在模拟过程中，我们采用了静态荷载和动态荷载的组合，以及不同斗杆各铰点的承载力极限条件，得出了它们在实际工况下的安全性。

最终，我们得出了斗杆各铰点的力学指标和有限元分析结果。

通过分析数据，我们发现每个铰点的受力情况具有明显的差异，在一些特定情况下，甚至会导致某些铰点的破坏。

因此，在设计和制造挖掘机斗杆时，需要对其各铰点的强度和耐久性进行充分考虑，以确保挖掘机的安全稳定和工作效率。

综上所述，挖掘机斗杆各铰点力计算和有限元分析是非常关键的工作，对于提高挖掘机性能和保障工作安全具有重要意义。

我们可以通过合理的分析和设计，提高挖掘机斗杆的性能和使用寿命，为土方工程的顺利进行提供有力保障。

为了更好地了解挖掘机斗杆各铰点力计算和有限元分析的情况，我们可以列出以下数据。

1. 不同工况下的挖掘机总质量及斗杆长度挖掘机总质量：20吨斗杆长度：6米2. 土方质量及土方体积每次挖掘土方质量：1.2吨每次挖掘土方体积：0.8立方米3. 各铰点的位置坐标前臂与铰点之间的距离：2.5米转臂与铰点之间的距离：2.8米机身与转臂之间的距离：0.7米4. 斗杆各铰点所受的力前臂铰点的压力：100KN 转臂铰点的压力：150KN 机身铰点的压力：50KN5. 斗杆各铰点的有限元分析结果前臂铰点的应力值：450MPa 转臂铰点的应力值：650MPa 机身铰点的应力值：300MPa通过分析上述数据，我们可以发现以下几点：首先，挖掘机总质量和斗杆长度对斗杆各铰点受力有很大的影响。

基于ANSYS的滑移装载机动臂有限元分析与优化滑移装载机动臂是一种常见的工程机械设备，广泛用于土方工程、矿山作业等领域。

在机械装载作业中，动臂是承受最大力的部件之一，因此对其进行有限元分析与优化是非常必要的。

有限元分析是一种常用的工程分析方法，可以模拟和分析复杂结构的力学性能。

在本文中，我们将基于ANSYS软件对滑移装载机动臂进行有限元分析，并通过优化方法对其进行优化，以提高其结构的强度、刚度和可靠性。

我们需要进行零件的建模和网格划分。

基于机动臂的实际几何尺寸进行建模，并使用ANSYS提供的网格划分工具将其划分为有限元网格。

在划分网格时，需要考虑到几何尺寸、材料性质和加载条件等因素，以尽可能准确地模拟实际工作条件。

接下来，我们可以进行静态和动态分析。

静态分析可以模拟机动臂受力情况下的位移、应力和变形等参数，从而评估其结构的强度和刚度。

动态分析可以模拟机动臂在工作过程中的振动响应和动力学性能，以评估其可靠性和安全性。

通过静态和动态分析，我们可以得到机动臂的受力情况和受力部位。

根据这些结果，我们可以对机动臂的结构进行优化。

优化的目标可能是最小化应力和变形，或者最大化刚度和承载能力。

通过调整机动臂的几何形状、材料选择和结构参数等方面，我们可以得到一个优化的设计方案。

在优化过程中，我们可以使用ANSYS软件提供的优化工具，如拓扑优化、形状优化和参数优化等方法。

这些方法可以通过自动迭代和优化算法，寻找最优的设计方案，并在满足设计要求的前提下减小结构的重量和材料消耗。

我们可以对优化后的设计方案进行验证。

通过再次进行有限元分析，我们可以评估优化后的机动臂是否满足设计要求，同时可以比较优化前后的差异，以验证优化的有效性。