黃鳴輝,黃冠雅,孫中林,邱清盈,王 輝

(1.國機(jī)重工(常州)挖掘機(jī)有限公司,江蘇 常州 213136; 2.浙江大學(xué) 流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310027)

考慮作業(yè)動態(tài)特性的挖掘機(jī)工裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

黃鳴輝1,黃冠雅2,孫中林1,邱清盈2,王 輝1

(1.國機(jī)重工(常州)挖掘機(jī)有限公司,江蘇 常州 213136; 2.浙江大學(xué) 流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310027)

為更準(zhǔn)確地分析挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)動態(tài)強(qiáng)度,對挖掘過程中由結(jié)構(gòu)變形、轉(zhuǎn)動慣性、復(fù)合動作挖掘等產(chǎn)生的作業(yè)動態(tài)特性進(jìn)行了分析,建立了綜合考慮這些動態(tài)特性的工作裝置剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型.利用ADAMS和ANSYS對動臂和斗桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的瞬態(tài)分析,應(yīng)力分析結(jié)果與利用應(yīng)變花進(jìn)行實(shí)際測試,應(yīng)力值之間的誤差小于10%.說明綜合考慮作業(yè)動態(tài)特性的瞬態(tài)分析結(jié)果,能夠反映實(shí)際挖掘過程中的應(yīng)力變化情況,從而為工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供有效的參考依據(jù).

瞬態(tài)分析; 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度; 工作裝置; 液壓挖掘機(jī)

挖掘機(jī)長期在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下連續(xù)工作,因此，挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一直是用戶最為關(guān)心的性能指標(biāo)之一.目前工作裝置強(qiáng)度分析一般參照國標(biāo)規(guī)定的“液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法”,選取若干典型工況進(jìn)行靜態(tài)有限元強(qiáng)度分析[1].為更合理地確定計算載荷,周渠梁[2]運(yùn)用圖譜疊加法分析挖掘法切阻力比，以確定最大挖掘力進(jìn)行強(qiáng)度分析;魏振凱等[3]提出了一種以工作裝置各鉸點(diǎn)載荷最大來確定危險工況的策略;周宏兵等[4]基于ADAMS仿真技術(shù)確定鉸點(diǎn)受力,進(jìn)行多工況靜強(qiáng)度分析.為避免將工作裝置各構(gòu)件單獨(dú)分析時因簡化而造成誤差,杜文靖等[5]對工作裝置進(jìn)行整體建模和靜強(qiáng)度分析.為獲得工作裝置在整個挖掘過程中的強(qiáng)度變化情況,周全等[6]采用離散元技術(shù)對工作裝置強(qiáng)度進(jìn)行了動態(tài)分析;張衛(wèi)國等[7]以實(shí)際測試得到的挖掘過程油缸壓力為依據(jù),對工作裝置進(jìn)行動態(tài)強(qiáng)度和疲勞分析;魏攀科[8]通過建立挖掘土壤模型,對工作裝置進(jìn)行了瞬態(tài)動力學(xué)分析.

本文綜合考慮挖掘機(jī)在挖掘過程中，存在的工作裝置剛?cè)狁詈袭a(chǎn)生的非線性動力學(xué)效應(yīng)、轉(zhuǎn)動角速度變化產(chǎn)生的慣性以及復(fù)合挖掘的載荷不確定性等動態(tài)特性,以便在工作裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時能夠更全面準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況.

1 作業(yè)過程動態(tài)特性分析

液壓挖掘機(jī)的動臂和斗桿為箱型結(jié)構(gòu),它們的長度都遠(yuǎn)大于其截面尺寸,構(gòu)件的剛度較小,在挖掘力載荷作用下會產(chǎn)生較大的變形,從而對工作裝置的受力產(chǎn)生影響.

慣性對作業(yè)過程的影響源自于動臂、斗桿和鏟斗在挖掘時轉(zhuǎn)動角速度動態(tài)變化.雖然3組油缸可視為勻速移動,但平臺-動臂、動臂-斗桿、斗桿-鏟斗之間的轉(zhuǎn)動角速度是非勻速的,如圖1所示.由于動臂和斗桿的質(zhì)量較大,由此產(chǎn)生的慣性力不容忽視.

圖1 作業(yè)過程中的轉(zhuǎn)動角速度Fig.1 Rotating angular velocity during operation process

實(shí)際的挖掘過程是由3組油缸的復(fù)合動作完成.這時鏟斗與土壤的作用力,由于同時存在斗桿挖掘和鏟斗挖掘,比傳統(tǒng)理論分析時的單油缸動作要復(fù)雜,較難確定實(shí)際挖掘力方向和大小.

因此，為了更合理準(zhǔn)確地分析工作裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,應(yīng)采用柔性多體動力學(xué)建模方法,參照挖掘機(jī)實(shí)際挖掘過程進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析.

2 工作裝置瞬態(tài)動力學(xué)分析

以企業(yè)中20 t級挖掘機(jī)為例,在動力學(xué)仿真軟件ADAMS中,建立了工作裝置的剛?cè)狁詈隙囿w模型,如圖2所示.在建模時將動臂和斗桿處理為柔性體,而鏟斗、連桿等零部件仍為剛體,這樣在一定程度上可減小復(fù)雜度,縮短仿真時間.

仿真時,在鏟斗斗緣施加由土壤挖掘分析模型計算得到的土壤阻力[9],采用復(fù)合動作挖掘方式.具體從開挖位置開始的動作過程為:0～1 s動臂缸勻速收縮;0～6 s斗桿缸勻速伸出;1～6 s鏟斗缸勻速伸出;6 s之后為回轉(zhuǎn)卸土.這樣在挖掘仿真時0～1 s動臂和斗桿復(fù)合動作,1～6 s斗桿和鏟斗復(fù)合動作.

圖2 挖掘機(jī)工作裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.2 Flexible multi-body model of excavator working device

仿真得到的動臂和斗桿各鉸點(diǎn)力如圖3所示,其中鉸點(diǎn)C,B,D,F分別為動臂-上車平臺(C)、動臂-動臂油缸(B)、動臂-斗桿油缸(D)、動臂-斗桿(F)之間的鉸接孔,鉸點(diǎn)E,G,N,Q分別為斗桿-斗桿油缸(E)、斗桿-鏟斗油缸(G)、斗桿-連桿(N)、斗桿-鏟斗(Q)之間的鉸接孔.

圖3 工作裝置多體動力學(xué)仿真結(jié)果Fig.3 Multi-body dynamics simulation results of working device

根據(jù)上述鉸點(diǎn)力,結(jié)合ANSYS對動臂和斗桿進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析,得到應(yīng)力結(jié)果如圖4所示.其中動臂應(yīng)力較大的區(qū)域主要分布在鉸點(diǎn)C和鉸點(diǎn)B附近,在t=1.9 s時刻應(yīng)力值達(dá)到最大為163.88 MPa;斗桿應(yīng)力較大的區(qū)域主要分布在鉸點(diǎn)G的耳板內(nèi)側(cè)和鉸點(diǎn)F附近,在t=4.8 s時刻應(yīng)力值達(dá)到最大為157.68 MPa.

圖4 工作裝置挖掘過程瞬態(tài)動力學(xué)分析結(jié)果Fig.4 Transient dynamics analysis results of working device during mining process

3 測試比較

為與實(shí)際工作時的應(yīng)力進(jìn)行對比,作者采用直角應(yīng)變花在動臂和斗桿上分別布置了8個和6個測點(diǎn),對其進(jìn)行了應(yīng)力實(shí)測如圖5所示.將實(shí)測應(yīng)力與瞬態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行了對比,如圖6所示為測點(diǎn)4和14的對比,其中測點(diǎn)4為斗桿側(cè)板靠近鉸點(diǎn)F附近,測點(diǎn)14為動臂側(cè)板靠近鉸點(diǎn)C附近.

通過對比,整體上可以看到:挖掘過程中各測點(diǎn)的仿真值與測試值的變化趨勢基本一致,誤差值在10%以內(nèi).由此可以說明:綜合考慮作業(yè)動態(tài)特性的瞬態(tài)分析結(jié)果，能夠反映實(shí)際挖掘過程中的應(yīng)力變化情況.

圖5 工作裝置應(yīng)力實(shí)測Fig.5 Stress test of working device

圖6 工作裝置應(yīng)力測試值與仿真值對比Fig.6 Stress test values compared with the simulation values of working device

4 結(jié)語

基于多體動力學(xué)理論,綜合考慮挖掘過程中結(jié)構(gòu)剛?cè)狁詈?、慣性和復(fù)合挖掘等動態(tài)特性,利用ADAMS和ANSYS對動臂和斗桿進(jìn)行了瞬態(tài)動力學(xué)分析,獲得的強(qiáng)度結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果具有較好的一致性.因此，可以較準(zhǔn)確地體現(xiàn)實(shí)際挖掘過程中的應(yīng)力變化情況,為工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供有效的參考依據(jù).

除了本文所考慮的作業(yè)動態(tài)特性之外,挖掘機(jī)在實(shí)際作業(yè)過程中，還受其他一些動態(tài)因素影響,例如液壓系統(tǒng)的沖擊和振動,因此，后續(xù)可進(jìn)一步深入研究,更全面地考慮各種動態(tài)因素,以使理論分析結(jié)果與實(shí)際情況更加相符,從而對實(shí)際設(shè)計指導(dǎo)更有參考價值.

[1] 任友良.液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)性能分析[D].杭州:浙江大學(xué),2010.

REN Y L.Structural performance analysis of working device of hydraulic excavator[D].Hangzhou:Zhejiang University,2010.

[2] 周渠梁.法切阻力比變化條件下的反鏟液壓挖掘機(jī)挖掘性能分析與強(qiáng)度分析[D].重慶:重慶大學(xué),2013.

ZHOU Q L.Under the condition of change the ratio of normal and tangential digging resistance on digging performance and strength analysis of backhoe hydraulic excavator[D].Chongqing:Chongqing University,2013.

[3] WEI Z K,QIU Q Y,LI B,et al.Strategy for determining analysis working conditions of hydraulic excavator[C]// Global Conference on Civil,Structural and Environmental Engineering(GCCSEE),Shenzhen,China.2013:1-7.

[4] 周宏兵,胡雄偉,孫永剛,等.基于ADAMS仿真技術(shù)的挖掘機(jī)鉸點(diǎn)受力分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2009,30(2):71-74.

ZHOU H B,HU X W,SUN Y G,et al.Calculation of the force acted on hinged joints of the hydraulic excavator based on ADAMS[J].Journal of Zhengzhou University(Engineering Science),2009,30(2):71-74.

[5] 杜文靖,崔國華,劉小光.液壓挖掘機(jī)工作裝置整體集成有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2007,38(10):19-23.

DU W J,CUI G H,LIU X G.Integration finite element analysis on whole working equipment of hydraulic excavator[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2007,38(10):19-23.

[6] 周全,李光,呂曉林,等.基于多學(xué)科仿真的大型正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置動態(tài)強(qiáng)度研究[J].機(jī)電工程,2015,32(3):333-337.

ZHOU Q,LI G,Lü X L,et al.Dynamic strength of hydraulic excavator attachment based on multidisciplinary simulations[J].Mechanical & Electrical Engineering Magazine,2015,32(3):333-337

[7] 張衛(wèi)國,權(quán)龍,程珩,等.真實(shí)載荷驅(qū)動下挖掘機(jī)工作裝置疲勞壽命研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2011,42(5):35-38.

ZHANG W G,QUAN L,CHENG H,et al.Fatigue analysis on working device of excavator driven by practical load[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(5):35-38.

[8] 魏攀科.作業(yè)過程中的履帶式液壓挖掘機(jī)瞬態(tài)動力學(xué)特性研究[D].重慶:重慶大學(xué),2012.

WEI P K.Research on transient dynamic characteristics of crawler hydraulic excavator in working process[D].Chongqing:Chongqing University,2012.

[9] 邱清盈,魏振凱,高宇,等.挖掘機(jī)工作裝置疲勞分析方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2016,46(1):159-165.

QIU Q Y,WEI Z K,GAO Y,et al.Fatigue analysis method of working devices of hydraulic excavator[J].Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition),2016,46(1):159-165.

Structure strength analysis of working device of hydraulic excavator considering dynamic working characteristics

HUANGMinhui1,HUANGGuanya2,SUNZhonglin1,QIUQingying2,WANGHui1

(1.SINOMACH-HI(Changzhou)Excavator Co.,Ltd.,Changzhou 213136,Jiangsu,China; 2.State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

The dynamic working characteristics caused by the structural deformation,rotation inertia and compound action of a hydraulic excavator during its excavating process are analyzed to obtain a more accurate analysis of the working device’s structure dynamic strength.A rigid-flexible coupling multi-body dynamic model of the working device is established to consider these dynamic characteristics comprehensively.The structure stress of the boom and arm is obtained through the transient analysis in ADAMS and ANSYS,and the stress error is less than 10% compared with the actual testing value obtained with strain rosette.Therefore the transient analysis result that considers the dynamic working characteristics can reflect the actual stress change of the working device during the excavating process,thereby provide the effective references to the structural design and optimization of the working device.

transient analysis; structure strength; working device; hydraulic excavator

國家科技支撐計劃資助項(xiàng)目(2013BAF07B04)

黃鳴輝(1981—),男,高級工程師.E-mail:hmh@sinomach-hi.com

TU 621

A

1672-5581(2017)05-0426-04