王冉冉，王 勇，焦 青

（徐州徐工礦山機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

挖掘機是目前工程機械行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備，但其工況較惡劣，且復(fù)雜多變。車架作為主要承重部件，承受較大載荷且受力形式多樣化，要求結(jié)構(gòu)件必須具有一定強度。對比大型挖掘機車架在4種典型工況下的整體應(yīng)力分布情況及關(guān)鍵部位應(yīng)力分布情況，有助于為挖掘機車架的設(shè)計及故障分析改進提供一種新的分析方法。

圖1是大型挖掘機車架結(jié)構(gòu)，主要由左縱梁、右縱梁、H架和齒圈座組成，H架騎在左右縱梁上，通過螺栓連接，可進行伸縮以調(diào)節(jié)下車寬度。

圖1 車架結(jié)構(gòu)

1 車架模型建立

1.1 工況分析

挖掘機車架受力情況復(fù)雜多變，一般針對失穩(wěn)狀態(tài)進行受力分析，本文選擇4種典型失穩(wěn)狀態(tài)進行綜合分析。可基本滿足車架設(shè)計及結(jié)構(gòu)改進的強度分析需求。

工況1為挖掘機左側(cè)挖掘，導(dǎo)致整車僅左側(cè)引導(dǎo)輪A與驅(qū)動輪B承重的狀態(tài)，且引導(dǎo)輪A與驅(qū)動輪B承重比例為8∶2；工況2與工況1失穩(wěn)狀態(tài)相同，但引導(dǎo)輪A與驅(qū)動輪B承重比例為2∶8；工況3為挖掘機正向挖掘，導(dǎo)致僅有兩側(cè)引導(dǎo)輪A、B承重的狀態(tài)；工況4為挖掘機作業(yè)中導(dǎo)致僅左側(cè)引導(dǎo)輪A與右側(cè)驅(qū)動輪D承重的狀態(tài)，具體位置見圖2所示。

圖2 工況示意圖

1.2 載荷分析

挖掘機失穩(wěn)狀態(tài)不同，承載位置及大小不同，圖3為挖掘機車架受力示意圖，根據(jù)上文提供的4種失穩(wěn)工況進行分別計算，計算過程不再贅述。

圖3 挖掘機車架受力示意圖

圖3 中G0為上車總成重量，力臂為L0；G1為工作裝置總成重量，力臂為L1；G2為配重總成重量，力臂為L2；G3為底盤總成重量；W為風(fēng)載荷，力臂為HW；W1為斗齒切向挖掘力，力臂為LW1；W2為斗齒法向挖掘機，力臂為HW2；各參數(shù)值見表1。

按上文所述4種工況進行分別計算，得到各承重部位的載荷如表2所示。根據(jù)實際受力情況，本文均施加遠程力進行分析。引導(dǎo)輪施力點為引導(dǎo)輪下端與鏈軌接觸處，驅(qū)動輪施力點為驅(qū)動輪節(jié)圓下端與鏈軌接觸處。

表1 各計算參數(shù)表

表2 車架各工況承受載荷表

1.3 模型優(yōu)化

利用三維建模軟件進行車架三維建模。為保證網(wǎng)格劃分質(zhì)量及分析運行速度，在模型導(dǎo)入分析軟件前，需對其進行優(yōu)化處理：

（1）去除對結(jié)構(gòu)強度無影響的附屬結(jié)構(gòu)，如螺紋座、吊耳等；

（2）除加載約束等情況外，可去除大多數(shù)的螺紋孔和光孔；

（3）避免出現(xiàn)線接觸、點接觸等結(jié)構(gòu)；

（4）為便于網(wǎng)格劃分及相鄰節(jié)點共享，采用連接重組的方式處理模型。

基于以上優(yōu)化，將模型導(dǎo)入有限元分析軟件。

1.4 前處理

模型使用鋼結(jié)構(gòu)作為分析材料，因車架為大型結(jié)構(gòu)件，且結(jié)構(gòu)形式較規(guī)則，采用四面體自由劃分網(wǎng)格，Size設(shè)置為10mm，得到1024252個單元，建立車架CAE模型如圖4所示。選擇齒圈座安裝面施加固定約束，根據(jù)上文所述4種典型失穩(wěn)工況進行遠程載荷的施加。

圖4 車架CAE模型

2 求解與分析

2.1 車架整體應(yīng)力分布

對4種工況下的挖掘機車架進行應(yīng)力分析，整體應(yīng)力分布如圖5-8所示。工況1，即挖掘機左側(cè)挖掘，僅左側(cè)引導(dǎo)輪與驅(qū)動輪承重的狀態(tài)，且引導(dǎo)輪與驅(qū)動輪承重比例為8∶2。此工況下最大應(yīng)力基本達到材料屈服極限，是4種工況中最惡劣的情況，在結(jié)構(gòu)設(shè)計或改進時，應(yīng)重點對此種工況下受力較大區(qū)域的結(jié)構(gòu)進行加強設(shè)計；工況3，即挖掘機正向挖掘，僅有兩側(cè)引導(dǎo)輪承重的狀態(tài)，此時應(yīng)力分布較均勻，安全系數(shù)可達1.5以上。此種工況是挖掘機實際工作中較常見的，結(jié)構(gòu)故障多為疲勞損壞。

圖5 工況1車架應(yīng)力分布

圖6 工況2車架應(yīng)力分布

圖7 工況3車架應(yīng)力分布

4種工況中應(yīng)力較大區(qū)域主要發(fā)生在齒圈座與H架結(jié)合處、H架與縱梁連接處，這些區(qū)域也是車架的關(guān)鍵部位，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析時應(yīng)重點考慮其強度。

圖8 工況4車架應(yīng)力分布

圖9 車架關(guān)鍵部位

2.2 車架關(guān)鍵部位應(yīng)力分布

依據(jù)市場質(zhì)量反饋信息，齒圈座與H架結(jié)合處、H架與縱梁連接處易發(fā)生開裂，與上文分析結(jié)果一致，這些部位作為車架關(guān)鍵部位需進行重點分析。

2.2.1 齒圈座與H架結(jié)合處

根據(jù)不同工況，較大應(yīng)力分布在齒圈座與H架結(jié)合處的不同部位，選取結(jié)合處為研究對象，分析其在不同工況下的應(yīng)力變化情況。

工況1和工況2下，挖掘機底盤承載方式不同，但最大載荷相同，據(jù)上文可知整車最大應(yīng)力值不同，但齒圈座與H架結(jié)合處最大應(yīng)力值基本相同，可見其應(yīng)力值主要受載荷大小的影響，且最大應(yīng)力偏向承載較大的位置，見圖10。同理工況3和工況4下，雖承載位置不同，但載荷值相同，分析得齒圈座與H架結(jié)合處最大應(yīng)力值基本相同。

工況1和工況2下，齒圈座與H架結(jié)合處應(yīng)力在承載較小的區(qū)域，應(yīng)力值小且變化平穩(wěn)，在承載較大的區(qū)域，應(yīng)力值急劇上升和下降，并且最大應(yīng)力值較大，這樣易導(dǎo)致齒圈座與H架結(jié)合處因受沖擊較大而開裂。工況3和工況4下，齒圈座與H架結(jié)合處應(yīng)力值浮動大，但最大應(yīng)力值不大，這樣的工況易發(fā)生疲勞損壞。

圖10 齒圈座與H架結(jié)合處路徑

圖11 工況1和工況2下齒圈座與H架結(jié)合處應(yīng)力

圖12 工況3和工況4下齒圈座與H架結(jié)合處應(yīng)力

2.2.2 H架與縱梁連接處

車架H架與縱梁連接處共4處，分前側(cè)和后側(cè)，應(yīng)力較大位置發(fā)生在連接處的外側(cè)，分析路徑均選取外側(cè)的接觸位置，方向由車體外側(cè)指向內(nèi)側(cè)，圖13和圖14為左縱梁上分析位置，右縱梁與左縱梁的分析路徑是對稱的。

H架與縱梁連接處應(yīng)力分布情況如圖15、圖16所示，前側(cè)較大應(yīng)力分布在靠近車體外側(cè)處，由外向內(nèi)，逐漸變??；而后側(cè)應(yīng)力分布情況與前側(cè)相反，較大應(yīng)力分布在靠近車體內(nèi)側(cè)處，由內(nèi)向外，逐漸變小。相同載荷的情況下，前側(cè)最大應(yīng)力值比后側(cè)要高些，這與縱梁的結(jié)構(gòu)及載荷傳遞方式有關(guān)。

圖13 H架與左縱梁前側(cè)聯(lián)接處路徑

圖14 H架與左縱梁后側(cè)聯(lián)接處路徑

圖15 H架與左縱梁前側(cè)聯(lián)接處應(yīng)力

圖16 H架與左縱梁后側(cè)聯(lián)接處應(yīng)力

3 應(yīng)用及測試

基于本文提出的挖掘機車架CAE分析方法，針對某挖掘機齒圈座斷裂情況，結(jié)合試驗測試進行結(jié)構(gòu)分析及改進設(shè)計。

3.1 車架故障分析

某挖掘機齒圈座斷裂圖，明顯為焊縫開裂?；谝陨戏椒?，得到4種工況下開裂部位的應(yīng)力分布如圖17所示，可見在工況1和工況2下齒圈座最大應(yīng)力值近200MPa。由上文可知，此處易發(fā)生疲勞損壞，若存在較大應(yīng)力則容易發(fā)生焊縫開裂。

圖17 齒圈座應(yīng)力圖

3.2 測試

針對以上故障，對車架開裂部位應(yīng)力較大的地方進行測試，測試儀器設(shè)備為應(yīng)力應(yīng)變測試儀和電阻應(yīng)變計。電阻應(yīng)變計采用直片，測點根據(jù)仿真結(jié)果布置（見圖18），集中在應(yīng)力值較大的區(qū)域，取其中最大值。

圖18 測點位置示意圖

4種工況下測試結(jié)果見表3。測試結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本一致，因?qū)嶋H工況更復(fù)雜惡劣，測試結(jié)果普遍高于仿真結(jié)果?？梢姺抡娼Y(jié)果可作為結(jié)構(gòu)改進的依據(jù)。

表3 測試區(qū)域最大應(yīng)力值

3.3 結(jié)構(gòu)改進

分析及測試可知，齒圈座的結(jié)構(gòu)已不能滿足挖掘機可靠性要求。針對應(yīng)力較大部位進行結(jié)構(gòu)改進，將焊接式齒圈座改進為整體鍛件式結(jié)構(gòu)，可避免焊接對母材的損傷，也可避免產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力（見圖19）。

對改進后的結(jié)構(gòu)進行仿真分析，得到4種工況下的應(yīng)力分布如圖20所示。應(yīng)力最大值普遍降低，最大應(yīng)力值由近200MPa降為約110MPa，應(yīng)力情況得到明顯改善。

圖19 齒圈座結(jié)構(gòu)改進

圖20 鍛件式齒圈座應(yīng)力圖

由圖20可知，最大應(yīng)力發(fā)生部位與焊接式齒圈座基本一致。同樣的對改進后的結(jié)構(gòu)進行測試，測試方法與上文保持一致，得到測試結(jié)果見表4。

測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本保持一直，同樣略高于仿真結(jié)果，與改進前相比應(yīng)力情況明顯得到改善。

表4 新結(jié)構(gòu)測試區(qū)域最大應(yīng)力值

3.4 測試相關(guān)

考慮挖掘機作業(yè)工況的復(fù)雜性及仿真結(jié)果存在一定偏差，在測試時，依據(jù)仿真結(jié)果在應(yīng)力較大的區(qū)域進行小范圍測試。

4 結(jié)論

針對結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、工況更加惡劣的大型挖掘機，本文提出了一種車架有限元分析方法，給出4種挖掘機失穩(wěn)典型工況，并針對4種工況進行了詳細分析，總結(jié)出車架關(guān)鍵區(qū)域，分析結(jié)果符合市場質(zhì)量反饋的信息。依據(jù)提出的分析方法，針對市場某挖掘機故障進行了分析測試，結(jié)果顯示本文所提供的分析方法可行有效，可為設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計及產(chǎn)品質(zhì)量維護改進時提供參考依據(jù)。

［1］ 李雪. 12m3機械式礦用挖掘機行走底架結(jié)構(gòu)強度剛度研究［D］. 吉林：吉林大學(xué)，2007.

［2］ 同濟大學(xué). 單斗液壓挖掘機［M］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1983.

［3］ 吳金峰，宗波，湯中連. 履帶式液壓挖掘機下車架有限元分析［J］. 建筑機械，2012（11）：117-119，123.

［4］ 王冉冉，吳金峰，宗波. 挖掘機回轉(zhuǎn)支承安裝座有限元分析［J］. 工程機械，2012（7）：36-40.