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大型液压挖掘机工作装置结构有限元分析

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贺雨田++吕彭民++牛选平

摘要：为了研究液压挖掘机工作装置的结构强度对挖掘机使用寿命的影响，针对某大型液压挖掘机工作装置的结构特点，在对其结构简化的基础上，采用实体单元、板壳单元和梁单元联合建模方式，建立了液压挖掘机工作装置整体有限元模型。选择了三种典型工况进行了结构有限元分析，通过对不同工况下挖掘机工作装置的应力分析和疲劳强度评估，发现了该挖掘机工作装置静强度和疲劳强度不足部位，并提出了挖掘机结构优化改进建议。

关键词：挖掘机；工作装置；有限元模型；使用寿命

：U415.51文献标志码：B

FiniteElementAnalysisofWorkingDeviceofLarge-sizedHydraulicExcavator

HEYu-tian1，2，LUPeng-min1，NIUXuan-ping3

（1.KeyLaboratoryofRoadConstructionEquipmentofMOE，ChanganUniversity，Xian710064，

Shaanxi，China；2.XianSpecialEquipmentInspectionInstitution，Xian710065，Shaanxi，China；

3.WorldHeavyIndustry（China）Co.Ltd.，Zhenjiang212143，Jiangsu，China）

Abstract：Basedonthestructuralfeaturesoftheworkingdeviceofalarge-sizedhydraulicexcavator，thefiniteelementmodelwassimplifiedandestablishedwithsolidelements，planeelementsandbeamelements，andthefiniteelementanalysiswascarriedoutforthreekindsoftypicalworkingconditions.Throughstressanalysisoftheworkingdeviceunderdifferentconditions，areaswithinsufficientstaticstrengthandfatiguestrengthofexcavatorwerefound，andadviceforexcavatorstructureoptimizationwasproposed.

Keywords：excavator；workingdevice；finiteelementmodel；servicelife

0引言

对于挖掘机这样结构较为复杂、运动状态多变的工程机械而言，采用常规的解析法无法获得结构局部的应力应变分布和位移变化情况。通过有限元计算对工作装置结构强度进行评估是一种有效可行的办法。近年来，挖掘机不断向大型化方向发展，由于大型挖掘机的作业条件和工作环境较为恶劣，因此对其强度、刚度和可靠性等提出了更高的要求。

挖掘机工作装置是由动臂、斗杆和铲斗组成的开链杆件系统，它通过对各杆件位置的调整实现挖掘作业。为了获得挖掘机工作装置的应力分布，可以对动臂、斗杆、铲斗以及销轴等挖掘机的各个结构进行单独分析，但这种从整体中分离的局部计算往往受到边界条件和载荷的影响，当计算设置不合理时，会影响结果的准确性[1-2]。本文选择某50T大型挖掘机为研究对象，对挖掘机工作装置简化处理后，建立了工作装置结构整体的有限元模型，通过典型工况应力分析，对计算结果进行了对比评估，给出了结构改进建议，为挖掘机工作装置设计提供了可靠数据。

1工况选择与载荷确定

选择液压挖掘机工作装置的计算工况参照《液压挖掘机结构强度试验方法》（GB9141—88）进行，选择3种工况进行有限元分析，计算时主要考虑重力和切向力的作用。

工况1：动臂和斗杆液压缸作用力臂最大，铲斗液压缸以最大当量力臂工作。

工况2：动臂液压缸全缩，斗杆液压缸作用力臂最大，斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上。

工况3：动臂液压缸全缩，斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上，且三点所在的直线位于铅垂线上。

图1给出了3种工况下不同的挖掘姿态，在确定各工况的切向力时，选择3种姿态下最不利的工况进行分析。根据作用力与反作用力原理，在3种姿态下挖掘机能提供的最大