70吨液压挖掘机动臂有限元分析详解.doc

70吨大型液压挖掘机动臂有限元分析 动臂计算工况 挖掘机在工作过程中，作业对象千变万化，土质及施工现场也各异，其工作装置运动与受力情况比较复杂。故选择了最危险工况来进行强度校核。 工况一： 1)、动臂位于最低（动臂油缸全缩）； 2）、斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与动臂铰点三点位。 图1 工作装置挖掘姿态（工况一、二） 工况二： 在工况一的基础上：3）斗边点遭遇障碍，侧向力Wk。 工况三： 1)、动臂位于动臂液压缸作用力臂最大处； 2）、斗杆油缸作用力臂最大（斗杆油缸与斗杆尾部夹角为90°）； 3）铲斗发挥最大挖掘力位置，进行正常挖掘。 工况四： 在工况三的基础上：3）斗边点遭遇障碍，侧向力Wk。 图2 工作装置挖掘姿态（工况三） 三、斗杆受力分析 1）、斗杆铰点载荷的确定 ① 计算工况一：θ1=-41.68°，θ2=131.684°，θ3=180°。 从重庆大学反铲分析软件中提取进行有限元分析所需要的数据： 动臂缸作用力为：-927.87kN； 斗杆缸作用力为：423.386KN； 铲斗缸作用力为：318.225kN； 动臂油缸铰点：Rx=915.301 kN；Ry=150.391 kN； 斗杆油缸铰点：Rx=264.623 kN；Ry=330.5 kN； 斗杆动臂铰点：Rx=-370.888 kN；Ry=-376.969 kN； 图3挖掘工况一、二示意图 ② 计算工况二： 在工况一的基础上，加上侧齿障碍产生的弯矩和扭矩，及侧向力Wk=23.638 KN。 ③ 计算工况三：θ1=4.504°，θ2=111.993°，θ3=151.371°。 图4 挖掘工况三示意图 从重庆大学反铲分析软件中提取进行有限元分析所需要的数据： 动臂缸作用力为：-927.87 kN； 斗杆缸作用力为：834.065 KN； 铲斗缸作用力为：584.42kN； 动臂油缸铰点：Rx=656.101 kN；Ry=656.106 kN； 斗杆油缸铰点：Rx=832.213 kN；Ry=55.55 kN； 动臂斗杆铰点：Rx=-1046.18 kN；Ry=20.38 kN； ④ 计算工况四： 在工况三的基础上，加上侧齿障碍产生的弯矩和扭矩，及侧向力Wk=15.165 KN。 2）、边界条件的确定及约束的施加 将斗杆简化成如图5所示的模型。对于斗杆，A代表斗杆与动臂连接的铰点，B代表斗杆与斗杆油缸的铰点。 图 工作装置边界条件简化模型 在挖掘机工作装置中，铰点是铲斗与斗杆、斗杆与动臂、动臂与机体以及各油缸和连杆机构与工作装置的连接构件。因此，对于铰点处的载荷施加就显得尤为关键。以往对于铰点处的载荷大多简化为集中力或等值的面载荷，施加集中载荷会产生很大的集中应力；施加等值面载荷无法全面考虑铰孔的应力分布情况。本有限元计算铰点载荷的施加应用弹性力学的相关理论对销孔内表面的载荷简化为余弦分布的面载荷，（如图6所示） 图6 铰点处余弦载荷分布 余弦载荷分布假设： 载荷在x-y平面内在180°范围内按余弦分布； 分布力的方向为沿销孔表面的法向； 载荷在z向均布。 1）、有限元模型 动臂实体模型采用应用软件Pro/Engineer建立，如图7。动臂实体模型采用20节点三维实体单元SOLID95，有限元模型见图8。动臂有限元模型共划分单元241108个，节点427386个。 图7 动臂三维实体模型 图8 动臂有限元模型 2）、有限元计算 将各项载荷加入有限元模型各铰点后，计算结果如下： 工况一： 图9 动臂Von Mises应力分布云图 图10 动臂Von Mises应力分布云图 图11 动臂Von Mises应力分布云图（斗杆油缸铰点） 图12 动臂Von Mises应力分布云图（最大应力处） 工况二： 图13 动臂Von Mises应力分布云图 图14 动臂Von Mises应力分布云图 图15 动臂Von Mises应力分布云图（斗杆油缸铰点） 工况三： 图16 动臂Von Mises应力分布云图 图17 动臂Von Mises应力分布云图 图18 动臂Von Mises应力分布云图（斗杆油缸铰点） 计算工况四： 图19 动臂Von Mises应力分布云图（斗杆油缸铰点） 图20 动臂Von Mises应力分布云图（斗杆油缸铰点） 图21 动臂Von Mises应力分布云图（斗杆油缸铰点） 五、结果分析 从以上三种工况计算结果来看，最大应力为126.758Mpa，安全系数为：305/126.758=2.406，大于安全系数2，故满足强度使用要求。其中，盖板及侧板与上下支座焊合处，应力相对较大，焊缝必须达到规定