基于SolidWorks的液压挖掘机伸缩臂设计与有限元分析
(黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163319)
摘 要：文章针对液压挖掘机中采用的箱形伸缩臂式反铲装置，介绍了利用SolidWorks软件进行实体建模，并利用COSMOS软件对其进行有限元分析的方法。
关键词：液压挖掘机；反铲装置；伸缩臂；有限元分析
中图分类号：TU72 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)05—0077—02
液压挖掘机是交通运输、能源开发以及城镇建设等各项工程建设的重要施工装备，它的使用也反映了这些部门的施工机械化水平。因此，重视和加速挖掘机改进创新，稳定提高产品质量，满足用户需求，对加速现代化工程建设有着重大的意义。在液压挖掘机的设计中反铲装置结构设计的合理性将直接影响到液压挖掘机的工作性能和可靠性。因此现在面临的问题就是开发研究伸缩挖掘臂形式的新型液压挖掘机。本文将挖掘机的斗杆设计为伸缩臂－斗杆结构，并对其进行受力分析和有限元分析。
1 SolidWorks在挖掘机设计中的应用
在挖掘机工作装置设计中，最困难的工作就是运动机构的设计与运动轨迹校核，目前多采用轨迹图法或根据几何约束条件建立方程组进行求解，但对于运动部件多于三个的机构，设计起来就要麻烦得多，并且设计工作不直观，设计结果也不尽人意。三维设计软件SoildWorks是集设计、运动轨迹校核及有限元分析于一体的强大应用软件，其建模速度快，直观，能充分显示出各部件运动中相互之间的协调关系〔1〕。
2 伸缩臂－斗杆设计
2.1 伸缩臂－斗杆结构
伸缩臂与斗杆都采用由钢板焊接而成的箱型结构，内部安装有执行伸缩任务的油缸，油缸行程为1300mm。伸缩臂与斗杆相对滑动，靠其中的支撑滑块来支撑并传递力的作用。伸缩臂－斗杆简图见图1。
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2.2 伸缩臂－斗杆受力分析
反铲装置的伸缩臂与斗杆强度计算一般根据反铲工作中挖掘力对伸缩臂可能产生的最大弯矩来确定。伸缩臂危险断面最大应力发生在采用转斗挖掘的工况下。计算时，一般取两个位置〔2〕：
计算位置I：①动臂位于最低；②斗杆液压缸作用力臂最大；③斗齿尖位于铲斗与伸缩臂铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上；④侧齿有横向力。
取铲斗为隔离体，对铰点C(铲斗与伸缩臂铰点)写力矩平衡方程ΣM0＝0,求得：
取工作装置为隔离体，对动臂底部铰点A写力矩平衡方程ΣMA＝0，求得：
式中：PB为动臂液压缸闭锁力；ΣMA(Gb×Gg×Gd)为工作装置各部分重量对A点的力矩和。
取伸缩臂为隔离体，对斗杆与动臂铰点B写力矩平衡方程ΣMB＝0，求得斗杆液压缸作用力：
铲斗侧齿遇到障碍时，横向挖掘阻力Wk由回转机构的制动器承受，其值为：
式中：r为横向阻力Wk与回转中心间的距离；
MT为回转平台制动器可承受的最大力矩。
求铰点C的作用力，可以铲斗为隔离体，按作用力平衡方程求得Rc，并沿伸缩臂轴线与垂直于伸缩臂轴线分解为两分力。再按ΣM0=0求得铲斗连杆E的作用力RE。两力数解或图解求得RD，同样的将RD沿伸缩臂轴线分解为轴向及垂直两分力。
此外，伸缩臂铰点C处还作用有由横向阻力和法向挖掘阻力W2产生的横向力矩Mc，值为：
由于切向挖掘阻力W1作用于斗边齿，而造成对伸缩臂的扭矩MKP的值为：
式中：b为铲斗宽度或边齿外侧至斗中心线的两倍。
计算位置：①动臂位于对铰点A有最大作用力臂处；②斗杆液压缸作用力臂最大；③铲斗斗尖位于B、C两铰点连线的延线上；④正常挖掘时无侧向力作用。
此时工作装置上的作用力仅为工作装置的自重及斗齿上的作用力W1及W2。分析方法同上。
根据以上分析，作伸缩臂内力图。对位置Ⅰ，伸缩臂的内力图包括斗杆轴向力N，伸缩臂平面内、外弯矩Mx、My和剪力Qx、Qy，以及扭矩MKP；对位置Ⅱ，伸缩臂侧内力仅有N、Mx、Qx。
伸缩臂各截面内力合成情况较复杂，而且伸缩臂断面变化亦较大，因此合成应力最大的危险断面很难确定。一般是选取几个断面进行强度的核算。
2.3 伸缩臂－斗杆有限元分析
2.3.1 零件材料
2.3.2 载荷和约束信息
2.3.3 分析结果(见图2-图5)
3 结论
本文中利用强大的机械设计分析软件SolidWorks对液压挖掘机中的伸缩臂－斗杆进行有限元分析，分析结果表明伸缩臂－斗杆设计合理，最小安全系数=2.9>2.5，达到挖掘机械设计要求。
［参考文献］
［1］ 朱永强,王辉林,仪垂杰,刁培松.SolidWorks在挖掘机设计中的应用［J］.工程机械，2002，(8)：8～9.
［2］ 陈玉峰.液压挖掘机工作装置运动与动力综合优化研究［D］.重庆大学,硕士学位论文,2005.
［3］ 范进桢，孟宪慧，秦贵林，何春松.挖掘机挖掘作业过程的动力学研究［J］.矿山机械，2005，33(9)：39～40.
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