第２４卷第２期 洛阳理工学院学报（自然科学版） Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．２ ２０１４年６月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｕｏｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌ０ｇｙ（ＮａｔｕｒａＩ Ｓｃ￣ｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｊｕｎ．２０１４ 单斗液压挖掘机工作装置的有限元分析及疲劳寿命分析 张强军 ，蔡安江 （１．西安建筑科技大学机电＿Ｔ－程学院，陕西西安７１００５５；２．洛阳建材机械厂，河南洛阳４７１００３） 摘要：挖掘机在当代各项工程建设中有着广泛的应用，工作环境较为恶劣．工作装置是挖掘机作业时的直接受 载部件，作业对象不定，在工作过程中的运动与受力情况非常复杂，其设计水平和工作寿命是挖掘机工作装置工 作性能优劣的重要标志。本文根据挖掘机工作装置的作业特点，对其进行有限元分析和疲劳寿命分析． 关键词：挖掘机；工作装置；ＡＮＳＹＳ有限元分析；疲劳寿命 ＤＯｈ １０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１６７４－５０４３．２０１４．０２．０１０ 中图分类号：ＴＨ．３９；ＴＵ６２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４．５０４３（２０１４￣２．００４６－０４ 工作装置是挖掘机的主要组成部分之一，在实际作业过程中，其受力情况比较复杂，各主要结构件连 接处容易发生变形、裂纹和疲劳断裂等现象，影响整机的工作性能和寿命，进而影响产品的经济效益。 因此，近几年各个企业对挖掘机工作装置的工作性能及寿命极其关注和研究。采用大型有限元分析软件 ＡＮＳＹＳ对某一型号挖掘机工作装置整体结构进行有限元分析和疲劳寿命分析，通过计算分析，对其结构 强度和寿命进行校核，从而改进设计，提高产品的工作性能和经济性。 １液压挖掘机工作装置 单斗液压挖掘机的工作装置通常由动臂、动臂液压缸、斗杆、斗杆液压缸、铲斗、铲斗液压缸、摇 杆和连杆等组成，并利用液压缸的伸缩来完成挖掘过程中的各个动作，各个部件之问全部采用铰接，液 压挖掘机工作装置如图１所示。 ２单斗液压挖掘机工作装置的有限元分析 ２．１有限元分析方法 有限元分析是利用数学近似的方法对真实物 理系统ｒ几何和载荷工况１进行模拟，利用简单而又 互相作用的元素，即单元，就可以用有限数量的 未知量取逼近无限未知的真实系统。有限元模型 可以看成是真实结构的一种分格，即把真实结构 看作是由一个个的分块部分构成，或者在真实结 构上划线，通过这些线，真实结构被分离成一个 个部分。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应 用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、 实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的 浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机 技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构 图１挖掘机工作装置图 收稿日期：２０１３—１２－２８ 作者简介：张强军（１９７３一），男，河南偃师人，本矛ｈ工程师，主要从事机电一体化及管理方面的工作； 蔡安；￣－（１９６５一），男，安徽舒城＾，教授＇博士生导师，主要从事机械设计制造领域方面研究． 第２期 张强军等： 单斗液压挖掘机工作装置的有限元分析及疲劳寿命分析 ４７ 工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值 分析方法。 ２．２ ＡＮＳＹＳ软件 ＡＮＳＹＳ软件是一种较为通用的有限元软件，其对于强度、疲劳破坏方面都有强大的分析功能。在对挖 掘机工作装置进行有限元分析时，必须￣．ＮＳＹＳ软件中建立该工作装置的有限元模型。应用ＡＮＳＹＳ软件参 数化分别建立动臂、斗杆和铲斗的三维模型时，由于焊接件的各个零件的尺寸精度较低且留有焊缝，而 在有限元模型中不允许出现细小的缝隙，因此在建立三维时需要对各个零件的尺寸进行修复和消除间 隙。这就需要在建立三维模型时，根据弹性力学的基本假设原理，适当简化实际模型，如：忽略一些螺 纹、突台、加强筋板等等。 利用ＡＮＳＹＳ软件进行有限元分析时，有以下几个典型步骤： １）开始一个新的分析的准备工作，如清除内存、制定工作文件名和标题。 ２）进 入ＡＮＳＹｓ前处理器，建立有限元模型，如定义单元类型、材料属性、时常数、创建模型等。 ３）进入ＡＮＳＹＳ求解器，施加载荷并求解，如选择分析类型、定义边界条件、加载、求解等。 ４）进入ＡＮＳＹＳ后处理器，ＰＯＳＴ１后处理器，处理计算出来的结果，如进入后处理器并选择后处理结果 文件、浏览结果文件中结果汇表并选择后处理结果、观察总体变形、制作等效应力动画等。 ２．３装置的有限元分析 本文所用到的工作装置的铲斗、斗杆和动臂均是由高强度钢板焊接而成，材料为Ｑ３４５（１６Ｍｎ），其屈 服极限 ＝３４５ ＭＰａ。弹性模量Ｅ＝２×１ｏ６ＭＰａ，泊松比取０．３，在ＡＮＳＹＳ中工作装置建立三维模型。建立 三维模型时所用到的建模方法是“自下而上”的建模方法，即先从定义关键点开始，逐步从基础到高级 建立模型、从二维到三维建立模型。限于篇幅，本文仅对的整体工作装置进行分析。 挖掘机的整体工作装置是由铲斗、斗杆和动臂组成的，通Ｊ￣．＿ＡＮＳＹＳ中的移动和布尔加运算来实现对各 个工作装置的组装；然后再对组装后的整个工作装置进行网格划分。整体工作装置的有限元模型如图２所 示。 对于整体模型而言，受力主要集中在铲斗中心线和斗口的交点、动臂与动臂油缸铰接点和动臂与车 身铰接点，力仍然按集中力处理。以动臂与机架的铰接点为支点，对此施加全约束（ＵＸ、ＵＹ、ＵＺ），限制 该交接点的各个方向的位移，位移值为０。 图３为应力分布的有限元分析的输出结果，由整体工作装置的应力分布图可以看出，工作装置的最大 变形为５．８１８ ｍｍ，变形主要出现在动臂与斗杆铰接处。动臂和斗杆油缸连接处应力较大，其结构中最大 的应力为５７８．１５３ ＭＰａ，大于材料的屈服极限３４５ ＭＰａ，造成这种现象的原因之一可能是整体工作装置的模 型，￣．ＮＳＹＳ中用布尔加运算将三个分离的模型加到一起成为一个整体，并没有将实际情况对各个构件实 现可以绕某一点进行转动；也有可能是材料没有达到设计要求。 ３单斗液压挖掘机工作装置的疲劳寿命分析 ３．１疲劳及疲劳寿命的基本概念 疲劳，顾名思义就是因为工作时间过久而不能继续工作的意思。因此疲劳破坏就是指当材料或结构 受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下 就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象，叫做疲劳破坏。疲劳破坏一般以 疲劳裂纹的形式表现出来，因此疲劳破坏大致上可以分为３个阶段，即疲劳裂纹的产生（裂纹的引发，生 核１、扩展和瞬间断 。 疲劳寿命指在给定循环载荷条件下，试件或结构由开始加载至出现可检裂纹时的载荷循环数或材料 第２期 张强军等： 单斗液压挖掘机工作装置的有限元分析及疲劳寿命分析 ４９ ４结语 １）根据计算有限元静力分析结果可以看出，在斗杆油缸支座后端与动臂上盖板的焊接区域存在应力 集中，最大的应力为５７８．１５３ ＭＰａ。由于应力集中的区域相对较小，很难改变上盖板斗或杆油缸支座的整 体尺寸，且改变材料成本较大，故选择结构型式改进的方法来改进设计方案。这个区域之所以出现应力 集中是因为设计结构的形状在此有突变，为减小结构突变，可以适当增加斗杆油缸支座钢板的长度，使 其上斜边与弯臂处的上盖板过度圆弧相切，就可以使支座后端的受力得到改善，且应力集中的位置可以 改变，使上盖板的受力情况就得到了极大改善，从而延长动臂的使用寿命。 ２）用ＡＮＳＹＳ软件的ｆａｔｉｇｕｅ模块进一步分析得到挖掘机工作装置的疲劳寿命为１００ ０００次，这个结果需 要在工程试验中进行验证，计算结果可能与实际的疲劳寿命有一定的出入，但是仍然可以作为计算工作 装置疲劳寿命的一个参考。 参考文献： 【１】周传月，郑红霞。ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ＇￣劳分析应用与教程【Ｍ】．北京：科学￣；ｆ３，２００５． 【２】孙志广．液压挖掘机工作装置优化设计及ｌ生能仿真【Ｄ】．吉林长春：吉林大学，２００５． Ｉ３１刘义伦．工程构件疲劳寿命预测理论与方法【Ｍ】．长沙：湖南科学技术出￣１９９７． 【４】郑朝云．机械构件的疲劳寿命可靠性评定【Ｊ１．重庆交通学院学把２００６（０１）：１４５－１４８． 【５】Ｋｏｓｕｇｉ ＡＪＫｏｈｍｏｔｏＴ，Ｔａｊｉ Ｔ．Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｘｃａｖａｔｏｒ Ｂｏｏｍ ａｎｄ Ａｒｍ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｒ＆Ｄ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ （Ｋｏｂｅ Ｓｔｅｅｌ，Ｌｔｄ），１９８１，３１（２）：７１－７６． 【６ｌ Ｆｅｎｇ Ｓｕｌｉ，Ｔｉａｎ ｚｈｉｇａｎｇ，Ｚｈａｉ Ｘｕｈｕａ，Ｚｈａｎｇ Ｇｕａｎｇｙｕ，Ｌｉ Ｙａｎ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐ Ｇｕａｒｄ ｆｏｒ Ｅｘｃａｖａｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎｅｕｒａｌ Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ＣｏｍＰｕｔａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２００８：１２４０－１２４３． 【７】丛楠．军用工程机械虚拟疲劳试验研究【Ｄ１．长沙：国防科学技术大学，２００６． 【８】赵少汁，王忠保．疲劳设计【Ｍ１．北京：机械工业出版杜ｌ９９２． 【９】葛宜元王金式李世伟．整株秸秆还田机刀轴载荷谱编制与疲劳寿命估算ＩＪ】．农业机械学报２００９，４０（３）：７７・８０． 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ｅｘｃａｖａｔｏｒ，ｈａｖｉｎｇ ｎｏ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ｊｏｂ ｏｂｊｅｃｔ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｆｏｒｃｅｓ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ａｒｅ ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｎ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｈａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｘｃａｖａｔｏｒ；ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ；ＡＮＳＹＳ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ