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70吨液压挖掘机动臂有限元分析


70 吨大型液压挖掘机动臂有限元分析
一、 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 工况二:

工作装置挖掘姿态(工况一、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:θ 1=-41.68°,θ 2=131.684°,θ 3=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:θ 1=4.504°,θ 2=111.993°,θ 3=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。

D

图 5 工作装置边界条件简化模型 3) 、铰点载荷的处理 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: (1) 载荷在 x-y 平面内在 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。

四、动臂有限元计算
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 2) 、有限元计算

动臂有限元模型

将各项载荷加入有限元模型各铰点后,计算结果如下: ① 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) ② 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)

③ 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) ④ 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,焊缝必须达到规定要求,焊接后需要仔细 检查。

六、参考文献
【1】 单斗液压挖掘机


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