液压挖掘机工作装置仿真分析

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｍｔ　

液压挖掘机工作装置有限元分析　

醋强一　（六三一所。陕西西安７１０１１９）　【摘要】有限元的计算精度高，具有较强的适应性。对工程　各种的复杂形状能够进行全面有效的分析。在液压挖掘机的工作装　置进行全面的分析时，可以基于液压挖掘机整体的工作装置有限元　进行全面的分析，从而增强液压挖掘机工作装置水平，提高液压挖　掘机工作水平。同时利用有限元在液压挖掘机工作装置中的应用，　可以减少不必要的材料浪费现象，加强产品的改进水平。　【关键词】液压挖掘机；工作装置；有限元　我国大部分的机械设备都在很大程度上运用了有限元法。虽然　有限法得到了广泛有效的应用，但是在有些机械设备中它只是应用　在某一个关键的构件或者是结构中，没有有效的发挥出有限元法在　工程机械中的巨大作用。而在工程机械中应用有限元法，许多边界　的条件以及载荷都没有得到有效的确定，从而工程机械会出现结构　简化等问题，在很大的程度上影响了机械设备的运行工作以及准确　定。因此，我们可以就液压挖掘机工作装置有限元进行全面的分析，　以此提高工程机械工作水平。　１液压挖掘机工作装置集成有限元模型的建立　１．１液压挖掘机工作装置整体三维模型的建立　组成液压挖掘机工作装置部分主要包括：斗杆、动臂、铲斗和　油缸。因此，为了建立液压挖掘机工作装置的三维几何模型，可以　严格的按照液压挖掘机的主要参数，相应的采用ｕＧ软件技术。在建　立液压挖掘机工作装置三维模型时，必须要将螺纹孔去掉，保证不　会对计算结果的倒角以及运输吊耳等环节产生影响。另外，要按照　连续处理的方法对实际模型进行焊缝，同时要按照与母材相同的材　料进行处理，然后装置成一个几何模型。　１．２液压挖掘机工作装置有限元模型的建立　通常都是将薄钢板进行焊接从而构建成液压挖掘机工作装置的　实际结构。构成有限元的几何模型一般都是非常复杂的，因此在划　分有限元模型的单元类型时主要都是选择三维实体单元。　２液压挖掘机工作装置集成有限元分析　２．１液压挖掘机工作装置有限元集成强度分析　在对液态挖掘机工作装置有限元集成强度进行分析时，利用现　进行的液压挖掘机工作装置为例子。该工作装置的动臂行业斗杆液　压缸作用力臂最大，铲斗和斗杆铰点以及斗杆与动臂铰点连线的延　长线上是斗齿尖，斗齿尖的方向与铲斗和斗杆铰点以及斗杆与动臂　铰点的连线相互垂直，主要是以重力和切向力为斗齿的荷载，通常　都是作用在中齿齿间上，那么动臂油缸所承受用的拉力和斗杆油缸　承受的压力都会达到最大值。在计算切向荷载和自身重力荷载的作　用力后，就可以将液压挖掘工作装置整体应力图整体的展现出来。　在工作装置的位置出现最大的应力时，斗杆和动臂的位置也会出现　最大的应力。通常，动臂出现最大值的位置是处在斗杆油缸支座、　连接盖的根部以及动臂下盖板前端等地方。因此，在得出工作装置　的不同部位将要承受不同的载荷应力时，需要找出工作装置的某个　部位将要承受最大的应力以此来作为危险面进行密切的关注。　２．２液压挖掘机工作装置有限元集成变形分析　液压挖掘机工作装置在受到侧向载荷力的作用下通常都会发生　变形的现象。以前通常在对工作装置进行有限元分析时，都是对工　作装置的各个部件进行单独的分析，从而工作装置在产生变形的情　况时，工作人员也没有对其进行重视。因此，我们可以就液压挖掘　机工作装置出现变形的情况进行全面的分析。通常工作装置是受到　侧向力和自身重力的荷载作用和切向力、侧向力和自身重力的荷载　３０６　ｌ华东科技　作用以及切向力和自身重力的荷载作用这三种情况的作用下而出现　变形的情况。液压挖掘机工作装置上有较多的铰点，在进行工作时　工作装置的销轴和轴套之间有着较大的荷载，并且动臂和斗杆处斗　杆侧板变形和斗杆上铲斗油缸支座会出现较大的变形，因此，必须　要将动臂与斗杆、斗杆与铲斗间关键铰点的变形情况进行全面的分　析。　２．３液压挖掘机工作装置有限元集成模态分析　当液压挖掘机工作装置中的液压系统频率和外界的作用在与工　作装置规范要求的频率相接近时，那么在很大程度上都会加剧工作　装置发生振动的情况。当工作装置的结构由于轻量化而引起大幅度　的振动时，就需要对液压挖掘机工作装置利用有限元模态进行有效　的分析。建成工作装置的有限元模型后，要对工作装置的有限元结　构进行动态模态分析，在得到２Ｏ阶谐调频率和振型。当工作装置中　的斗杆和铲斗的刚度相对来说比较小时，那么各阶频率对液压挖掘　机工作装置产生比较明显的影响。工作装置的各阶振型在体现出液　压系统具有自身固有的空间特性时，主要是体现了工作装置的各个　部件的侧向和铲斗在扭转变形或者是系统的回转变形。另外，铲斗　中的物料也会对液压系统产生重要的影响，在考虑物料对液压系统　产生的影响后，那么就可以降低液压系统中原本固有的频率，那么　振型也会发生相应的改变。　２．４液压挖掘机工作装置集成有限元分析　在对液压挖掘机工作装置的强度、变形以及模态进行有限元分　析后，必须要保证液压挖掘机工作装置应该承受１３０ＭＰａ以内的应　力。当工作装置的斗杆处出现较大的应力时，那么应该是工作装置　中的铲斗油缸支座、斗杆与动臂连接处的斗杆底板以及斗杆的小端　的位置则出现大应力。如果工作装置是承受切向荷载的作用，那么　出现最大应力的位置应该是斗杆与动臂连接处。如果工作装置在承　受扭转荷载的作用时，出现最小的抗扭截面模量的位置应该是在扭　转荷载作用下工作装置最薄弱的环节。因此，工作装置在处于扭转　荷载作用时，工作装置中的动臂小端和斗杆小端会出现较大的应力。　那么工作装置中的斗杆与动臂连接处的最大应力值应该是１３０ＭＰａ。　因此，在对液压挖掘机工作装置进行有限元分析时，可以在很大程　度上将工作装置中的所处的薄弱部位进行有效的改善，从而提高薄　弱部位的刚度和强度。同时也使得工作装置的各个部分承受了更加　合理的应力分布，从而加强了液压挖掘机工作装置的设计水平。　３总结　液压挖掘机工作装置在应用有限元法后，可以在很大程度上简　化了复杂的工作运作状况，减少了由于复杂的工作而出现计算误差　的现象，降低不必要的材料浪费。在对液压挖掘机进行有限元分析　后，可以将工作装置中的各个构件进行科学合理的改善。在对液压　挖掘机工作装置有限元集成强度、变形分析以及液压挖掘机工作装　置有限元集成模态分析后，可以提高工作装置中薄弱的部位的刚度　和强度，同时也能更加科学合理的分配各个部位所需要承受的应力，　从而提高了产品设计改进水平，延长了工程机械使用期限。　参考文献：　【１］杨帆，吴小平液压挖掘机工作装置中有限元静强度分析［１］．计算机　应用技术．２０１３（０４）．　［２］杜文靖，崔国华，刘小光．液压挖掘机工作装置整体集成有限元分析　【１］．农业及机械学报，２００７（１０）．　［３］３梁晓东．有限元分析在液压挖掘机工作装置设计上应用［Ｉ］应用科　技，２ｏｌｏ（ｏ５）．

挖掘机的液压系统与仿真

I 摘 要

液压系统是目前挖掘机必不可少的组成部分，液压系统通过改变压强增大作用力来工作。完整的液压系统包括：动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。挖掘机的工作环境复杂多变，所以对于液压系统提出了很高的设计要求。

在搜集国内外液压系统相关资料的基础上，了解其发展过程，分析总结了液压挖掘机的技术发展动态,了解液压挖掘机液压系统的结构。液压挖掘机由多个系统组成，包括液压系统、传动系统、操纵系统、发动机、油箱、转台等等。本设计从分析液压挖掘机的基本原理出发，分析了液压挖掘机的结构，工作原理，油路控制，从而确定了液压挖掘液压系统的设计方案，并对所设计的液压系统进行了模型建立，到模型仿真，以确保所设计的液压系统的安全可靠，结构优良，价格经济。本设计还细致分析了液压挖掘机的液压元件的选型，与设计计算，采用的CAD设计出了液压挖掘机的原理图，运用了simulationx进行的模型建立与仿真，确保了所建立的模型的正确性。

运用simulationx建立系统模型的与仿真这是本设计的一大特点。

关键词： 液压系统 液压挖掘机 液压元件 挖掘机的液压系统与仿真

II Summary

The hydraulic system is an integral part of excavator， hydraulic

system is to work by changing the pressure to increase the force. The intact

hydraulic system is including: power components, the implementation of

components, control components, auxiliary components and hydraulic oil.

The excavator working environment is complex and changeable, so it

156 建筑机械设计计算DESIGN & CALCULATION正铲挖掘机液压系统建模仿真分析高 旭（中煤科工集团上海有限公司，上海 200030）［摘要］为了评估正铲挖掘机液压系统的性能，分析了液压泵的P-Q曲线，建立了液压泵P-Q数学表达式，根据液压阀开口槽的计算公式得出了液压阀开口面积曲线，通过流场仿真计算液压阀的压力损失及流量系数，修正液压阀的开口面积输入到液压系统仿真模型中，仿真得出了挖掘机水平推压位移曲线图、油缸压力曲线图、动臂与斗杆铰接点受力曲线图。这些曲线图对评估改进液压系统、工作装置应力分析提供了数值依据，大大减少了多种软件联合仿真的时间。此文对正铲挖掘机液压系统仿真分析具有一定的参考价值。［关键词］挖掘机；液压系统；液压阀；AMESim［中图分类号］TU621 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2023）10-0156-04Modeling and simulation analysis of hydraulic system for front shovel excavator GAO Xu大型挖掘机液压系统执行机构主要由液压油缸驱动的工作装置与液压马达驱动的回转机构、行走机构组成。其中工作装置有多种方案，如以HITACHI机型为代表的增设辅助液压缸机构、以TEREX机型为代表的TRI—POWER机构等。上述机构方案虽都有成熟的应用，但出于国外制造商技术保密的原因，对其详细特性的分析研究文献鲜有介绍［1］。在现代液压挖掘机研发系统中，工程技术人员借助专业仿真软件对其进行建模，模拟液压系统在现实环境下的运动学和动力学特性，并根据仿真结果进行优化，确定相关参数，缩短产品开发周期，提高工作效率及产品质量。因此，有必要研究工作液压缸的流量压力变化与铲斗运动位移关系及其各铰接点受力，以降低因速度不均而产生的冲击振动，提高主机的作业效率和零部件的可 靠性［2］。1 液压系统建模1.1 液压泵建模液压泵的P-Q特性曲线如图1所示，一般通过液压试验台测出或者厂家提供。根据图1建立液压泵P-Q曲线的数学表达式 如下L/minMPa60050040030020010000510152025303540图1 液压泵P-Q曲线图253.125215.635130.436.5106513210.23814802135ppQ=ppppp＜≤＜≤＜≤ ρCAPρ 2222222221122vvvduddqqqCACACA 2212111uAAA 2063.2840.51125.49614PBxSxxx≤≤ 当液压泵压力小于等于5MPa时，液压泵为50L/min，此流量仅维持液压系统的泄露及先导控制需要的流量；当液压泵的压力小于等于13MPa大于5MPa时，液压泵的流量与先导信号成正比，随着先导阀的压力改变实时改变；当液压泵的压力 DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.10.025［收稿日期］2023-02-27［通讯地址］高旭，上海市奉贤区环城东路168号Copyright©博看网. All Rights Reserved.

２０１３年１月　第４１卷第２期　机床与液压　

ＭＡＣＨＩＮＥ　ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ｊａｎ．２０１３　Ｖｏ１．４１　Ｎｏ．２　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１～３８８１．２０１３．０２．０３５　

混合动力挖掘机工作装置液压系统设计及仿真研究　

吕其惠　

（广东交通职业技术学院，广东广州５１０６５０）　

摘要：将混合动力技术应用于液压挖掘机工作装置液压系统，以ＩＳＧ发电电动一体机和超级电容为辅助动力核心部件，　设计了液压挖掘机柴油机辅助动力系统和转台电动回转系统；以能量回收为目标，改进了工作装置液压驱动系统和动臂油　缸一液压马达能量回收系统，实现了对动臂油缸重力势能和转台惯性动能的回收利用。仿真结果表明：采用该设计方案降　低了发动机装机功率及油耗，可以节约能源、减少排放污染。　关键词：混合动力液压挖掘机；方案设计；能量回收　中图分类号：ＴＨ１３７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３８８１（２０１３）２—１００—４　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｘｃａｖａｔｏｒ　

Ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｄｅｖｉｃｅ　

ＬＶ　Ｑｉｈｕｉ　

（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５１０６５０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｙｂｒｉｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｃａｖａｔｏｒ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｄｉｅｓｅｌ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　ｔｕｒｒｅｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｏ—　ｔａｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｅｘｃａｖａｔｏｒ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ＩＳＧ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍａｃｈｉｎｅ　ａｎｄ　ｓｕｐｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｒｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ，ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｄｒｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｏｏｍ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ—ｅｎｅｒｇｙ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｍｏｔｏｒ　ｗｅｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｅｎｅｒｇｙ　ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｏｏｍ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｔｕｒｎｔａｂｌｅ　ｉｎｅ￣ｉａｌ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒ—　ｇＹ　ｗａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｆｕｅｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ，　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｓ　ｓａｖｅｄ　ａｎｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｙｂｒｉｄ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｅｘｃａｖａｔｏｒ；Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ；Ｅｎｅｒｇｙ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ