液壓挖掘機(jī)工作裝置有限元分析

目錄

1改進(jìn)前幾何模型的簡(jiǎn)化及建立....................................2

2改進(jìn)前有限元模型的建立........................................7

3改進(jìn)前工況的確定及載荷計(jì)算....................................8

4改進(jìn)前工作裝置強(qiáng)度剛度分析...................................18

5改進(jìn)后幾何模型的簡(jiǎn)化及建立...................................55

6改進(jìn)后有限元模型的建立.......................................60

7改進(jìn)后工況的確定及載荷計(jì)算...................................60

8改進(jìn)后強(qiáng)度剛度結(jié)果分析.......................................70

9改進(jìn)后模態(tài)分析..............................................112

10結(jié)論.......................................................120

1改進(jìn)前幾何模型的簡(jiǎn)化及建立

動(dòng)臂為德國(guó)原設(shè)計(jì)沒有焊接加強(qiáng)板，斗桿為德國(guó)原設(shè)計(jì)的長(zhǎng)斗桿。

主要是依據(jù)已知的圖紙數(shù)據(jù)在Catia和UG三維建模軟件中建立車架、動(dòng)臂、斗桿

及鏟斗的幾何模型。在建模過程中，去掉了螺紋孔、很小的不影響計(jì)算結(jié)果的倒角、運(yùn)

輸?shù)醵炔挥绊懹?jì)算結(jié)果，但卻很耗費(fèi)機(jī)時(shí)、工時(shí)的要素。

在實(shí)際模型中焊縫處都按連續(xù)處理，其材料按照與母材相同處理。這樣可以節(jié)

省很多計(jì)算資源，也可以使關(guān)心的部分的計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

1.1動(dòng)臂幾何模型的簡(jiǎn)化及建立

此模型是依據(jù)圖紙3073990及相關(guān)的零件圖尺寸，運(yùn)用Catia三維建模軟件建立的。

建模過程中，對(duì)運(yùn)輸?shù)醵昂缚p進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。

最終建立的動(dòng)臂的幾何模型如圖1-1所示。

圖1-1動(dòng)臂的幾何模型

1.2斗桿幾何模型的簡(jiǎn)化及建立

此模型是依據(jù)圖紙4550285及相關(guān)的零件圖尺寸數(shù)據(jù)，運(yùn)用Catia建模軟件建立的。

建模過程中，對(duì)焊縫、工藝孔及很小的倒角進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。

最終建立的斗桿的幾何模型如圖1-2所示。

圖1-2斗桿的幾何模型

1.3鏟斗幾何模型的簡(jiǎn)化及建立

此模型是依據(jù)圖紙4573953及相關(guān)的零件圖尺寸數(shù)據(jù)，運(yùn)用Catia三維建模軟件建

立的。在建模過程中，對(duì)焊縫及很小的倒角進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，認(rèn)為焊縫處的材料屬性

與母材相同。

最終建立的鏟斗的幾何模型如圖1-3所示。

圖L3鏟斗幾何模型

1.4車架幾何模型的簡(jiǎn)化及建立

此模型是依據(jù)圖紙5404122及相關(guān)的零件圖尺寸數(shù)據(jù)，運(yùn)用UG三維建模軟件建立

的。在建模過程中，對(duì)焊縫及很小的倒角進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，認(rèn)為焊縫材料與母材相同。

最終建立的車架的幾何模型如圖1-4所示。

圖1一4車架的幾何模型

1.5連接蓋幾何模型的簡(jiǎn)化及建立

此模型主要是依據(jù)1173464圖紙的尺寸，運(yùn)用UG三維建模軟件建立的。此模型的

尺寸雖然小，但其結(jié)構(gòu)卻是很復(fù)雜，在UG中運(yùn)用了高級(jí)曲面造型的建模方法建立了該

模型。在建模過程中，對(duì)螺紋孔及很小的倒角進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。

最終建立的連接蓋的幾何模型如圖1-5所示。

圖1-5連接蓋的幾何模型

1.6整體裝配模型

將以上各個(gè)部分裝配到一起的幾何模型如圖1-6所示。

圖1-6整體裝配的幾何模型

2改進(jìn)前有限元模型的建立

2.1單元類型的選擇

由于工作裝置的實(shí)際結(jié)構(gòu)主要是由薄鋼板焊接成的，且?guī)缀文Ｐ秃軓?fù)雜，故劃分有

限元模型的單元類型選擇三維實(shí)體單元Solid45和Solid95o

Solid45單元類型一般用于規(guī)則實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有x、y、z

三個(gè)方向的移動(dòng)自由度。該單元有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變的性

能。因此Solid45單元可以滿足此計(jì)算的要求。

油缸采用link8單元模擬。連接蓋的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以該結(jié)構(gòu)必須用高維帶中間

節(jié)點(diǎn)的Solid95單元來模擬。但卻增大了很多的計(jì)算量。

2.2有限元模型的建立

為了保證計(jì)算精度，網(wǎng)格要盡量劃分的細(xì)一些。同時(shí)還要考慮到計(jì)算時(shí)間。所以在

不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，將網(wǎng)格劃分的要粗一些。綜合以上兩點(diǎn)，建立的工作裝置有

限元模型如圖2-1所示。

圖2-1工作裝置有限元模型

3改進(jìn)前工況的確定及載荷計(jì)算

根據(jù)GB9141-88,確定反鏟單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置的計(jì)算工況共分為四大種。

3.1工況1

1、該工況下，工作裝置位置描述

動(dòng)臂液壓缸全縮，斗桿液壓缸作用力臂最大，斗齒尖位于鏟斗與斗桿較點(diǎn)和斗桿與

動(dòng)臂較點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上。

具體的安裝位置如圖3-1所示。

圖3-1工作裝置的具體位置

2、該工況下載荷確定及計(jì)算

該工況下載荷分為重力、切向力和側(cè)向力。

①切向力的方向垂直于鏟斗與斗桿較點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂較點(diǎn)連線，作用在邊齒齒尖。

大小為44000N,保證動(dòng)臂和斗桿油缸的力不超過最大值。具體的加載方式如圖3-2所

7J\o

圖3-2只受切向力作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受拉力，其值為27t。斗桿油缸承受的壓力為31.5t,小于能

夠承受的最大壓力56.7t。鏟斗油缸的壓力19.3t,小于能夠承受的最大壓力452。

②側(cè)向力的方向垂直于工作裝置所在的平面，作用在邊齒齒尖，大小由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的

制動(dòng)力矩確定。其中制動(dòng)力矩為59kN.M,計(jì)算得到斗齒上的力為225191N,但此力已

經(jīng)使車傾翻。故側(cè)向載荷應(yīng)保證使車不傾翻。側(cè)向抗傾翻力矩為280kN.M,按此值計(jì)算

得到的側(cè)向載荷為52880No

具體的加載方式如圖3-3所示。

圖3-3只受偏載作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受壓力，其大小為ll.lt,小于動(dòng)臂油缸能夠承受的最大壓力

45.2to鏟斗油缸在側(cè)向載荷作用下幾乎不受力。斗桿油缸承受的壓力為3.7t,遠(yuǎn)小于最

大壓力。

③側(cè)向力和切向力的綜合作用

側(cè)向力與切向力的值與①、②相同。其具體的加載方式如圖3-4所示。

圖3-4綜合載荷作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受拉力，其值為27t,達(dá)到了動(dòng)臂油缸所能承受的最大拉力

值。斗桿油缸承受的壓力為3L5t,小于能夠承受的最大壓力56.7t。鏟斗油缸的壓力193,

小于能夠承受的最大壓力45.2to

3.2工況2

1、該工況下，工作裝置位置描述

動(dòng)臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，斗齒尖位于鏟斗與斗桿欽點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂欽點(diǎn)連

線的延長(zhǎng)線上。

具體的安裝位置如圖3-5所示。

圖3-5工作裝置的具體位置

2、該工況下載荷確定及計(jì)算

該工況下載荷分為重力和切向力。

切向力的方向垂直于鏟斗與斗桿較點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂較點(diǎn)連線，作用在中齒齒尖。大

小為92000N,使鏟斗油缸的推力達(dá)到最大，同時(shí)保證動(dòng)臂和斗桿油缸的力不超過最大

值。具體的加載方式如圖3-6所示。

K_|Z

圖3-6只受切向力作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受拉力，其值為27t。斗桿油缸承受的壓力為56.3t,小于能

夠承受的最大壓力56.7to鏟斗油缸承受的壓力為38.23小于能夠承受的最大壓力45.2to

3.3工況3

1、該工況下，工作裝置位置描述

動(dòng)臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，鏟斗液壓缸以最大當(dāng)量力臂工作。

具體的安裝位置如圖3-7所示。

圖3-7工作裝置的具體位置

2、該工況下載荷確定及計(jì)算

該工況下載荷分為重力和切向力。

切向力的方向垂直于鏟斗斗齒尖和鏟斗與斗桿錢點(diǎn)連線，作用在中齒齒尖。大小為

100000N,使鏟斗油缸的推力達(dá)到最大，同時(shí)保證動(dòng)臂和斗桿油缸的力不超過最大值。

具體的加載方式如圖3-8所示。

圖3-8只受切向力作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受拉力，其值為6.453遠(yuǎn)小于動(dòng)臂油缸所能承受的最大拉力。

斗桿油缸承受的壓力為57t,達(dá)到了斗桿油缸所能承受的最大壓力t。鏟斗油缸承受的壓

力為423小于能夠承受的最大壓力45.2to

3.4工況4

1、該工況下，工作裝置位置描述

動(dòng)臂液壓缸全縮，斗齒尖位于鏟斗與斗桿較點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂較點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上，

且該三點(diǎn)所在的直線位于鉛垂線上。

具體的安裝位置如圖3-9所示。

圖3-9工作裝置的具體位置

2、該工況下載荷確定及計(jì)算

該工況下載荷分為重力、切向力和側(cè)向力。

①切向力的方向垂直于鏟斗與斗桿錢點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂較點(diǎn)連線，作用在邊齒齒尖。

大小為30000N,使鏟斗油缸的推力達(dá)到最大，同時(shí)保證動(dòng)臂和斗桿油缸的力不超過最

大值。具體的加載方式如圖3-10所示。

圖3-10只受切向力作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受拉力，其值為27t。斗桿油缸承受的壓力為29.5t,小于能

夠承受的最大壓力56.7t。鏟斗油缸的壓力112,小于能夠承受的最大壓力452。

②側(cè)向力的方向垂直于工作裝置所在的平面，作用在邊齒齒尖，大小由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的

制動(dòng)力矩確定。其中制動(dòng)力矩為59kN.M,計(jì)算得到斗齒上的力為17987.8N。

具體的加載方式如圖3-11所示。

圖3-H只受偏載作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受壓力，其大小為16.7t,小于動(dòng)臂油缸能夠承受的最大壓力

45.2to斗桿和鏟斗油缸在側(cè)向載荷作用下幾乎不受力。

③側(cè)向力和切向力的綜合作用

側(cè)向力與切向力的值與①、②相同。其具體的加載方式如圖3-12所示。

圖3-12綜合載荷作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受拉力，其值為273達(dá)到了動(dòng)臂油缸所能承受的最大拉力

值。斗桿油缸承受的壓力為29.553小于能夠承受的最大壓力56.7to鏟斗油缸的壓力

11.23小于能夠承受的最大壓力452。

3.5工況5：只受慣性載荷作用（重力+慣性制動(dòng)力矩）

1、該工況下，工作裝置位置描述

斗桿油缸全縮，動(dòng)臂油缸保證使動(dòng)臂和斗桿展開的離上車架回轉(zhuǎn)中心線最遠(yuǎn)的位

置。鏟斗油缸伸到最長(zhǎng)，使鏟斗的位置能夠裝載物料。

具體的安裝位置如圖3-13所示。

圖3-13工作裝置的具體位置

2、該工況下載荷確定及計(jì)算

該工況下載荷分為重力和制動(dòng)角減速度，而且是滿載。

①大斗:斗重1.0953物料重為1.2m3XL8t/n?=2.16t,總重3.255t。制動(dòng)角減速

度大小為0.824rad/s2,矢量方向?yàn)檠豗軸正向。

該工況下，動(dòng)臂油缸承受壓力，大小為27.73小于最大值452。斗桿油缸承受壓

力，大小為23.5t,小于最大壓力56.7t。鏟斗油缸承受拉力，其值為12.6t小于能夠承受

的最大拉力27to

②小斗:斗重0.6453物料重為0.95m3XL8t/m3=1.71t,總重2.355t。制動(dòng)角減速

度大小為0.824rad/s2,矢量方向?yàn)檠豗軸正向。

該工況下，動(dòng)臂油缸承受壓力，大小為22.lt,小于最大值452。斗桿油缸承受壓

力，大小為17.53小于最大壓力56.7t。鏟斗油缸承受拉力，其值為9.1t小于能夠承受

的最大拉力27to

4改進(jìn)前工作裝置強(qiáng)度剛度分析

4.1工況1

根據(jù)前面確定的載荷及約束情況，計(jì)算得到的結(jié)果如下。

4.1.1只有切向力和自身重力載荷作用

①工作裝置整體應(yīng)力分布

該工況下，在只有切向載荷作用時(shí)計(jì)算得到工作裝置整體的應(yīng)力分布結(jié)果如圖4-1

所示。

從圖中可以看出，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在連接蓋的根部。

②斗桿應(yīng)力分布

該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-2所示。

圖4-2斗桿的應(yīng)力分布

從圖4-2中可以明顯的看出，在該工況下斗桿的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力最大的位置在

斗桿與動(dòng)臂的連接處，其次是鏟斗油缸座。

③動(dòng)臂應(yīng)力分布

在該工況下動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況如圖4-3所示。

NO?LSO1OTICW

STTP=1

SUB=1

TIbE=l

SEX?7(XX

UM-20.297

7K-.275922

=442.605

31.111

7.77854.444

圖4-3動(dòng)臂的應(yīng)力分布

從圖4-3中可以看出動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況。從整體上看應(yīng)力最大的位置在連接蓋的

根部，其次在斗桿油缸支座處、動(dòng)臂和車架的連接處以及動(dòng)臂下蓋板前端。

⑤連接蓋的應(yīng)力分布

該工況下連接蓋的應(yīng)力分布情況如圖4-4所示。

NOffiLSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

62.22293.333124.444

46.66777.778108.889140

圖4-4連接蓋的應(yīng)力分布

根據(jù)上面的分析，能夠知道，連接蓋處的應(yīng)力是整個(gè)工作裝置中最大的，從圖

4-4中可以看出，連接蓋處的最大應(yīng)力在連接蓋的根部及加強(qiáng)筋遠(yuǎn)離連接蓋的一側(cè)。

4.1.2只有側(cè)向力和自身重力載荷作用

①工作裝置整體應(yīng)力分布

該工況下，在只有側(cè)向載荷作用時(shí)計(jì)算得到工作裝置整體的應(yīng)力分布結(jié)果如圖4-5

所示。

從圖中可以看出，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)動(dòng)臂與斗桿連接處的動(dòng)臂頭上及斗桿與鏟斗連

接處的斗桿頭上。由于該工況下，工作裝置只承受扭矩，所以在整個(gè)工作裝置中抗扭截

面模量最?。ń孛婷娣e最?。┨幍膽?yīng)力最大。

②工作裝置的整體變形分布

該工況下工作裝置的整體變形如圖4-6所示。

NOEftLSOLUTION

STEE^l

SUB=1

TIME=1

USUM(JWG)

RSYS=0

EMX=32.633

SMX=32.633

07.25214.50321.75529.007

3.62610.87818.12925.38132.633

圖4-6整體變形分布

從圖4-6中可以看出在偏載作用下，工作裝置的整體變形分布情況。在鏟斗齒尖上

的最大變形為32.6mm。

③斗桿應(yīng)力分布

該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-7所示。

圖4-7斗桿的應(yīng)力分布

從圖4-7中可以明顯看出斗桿的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力最大位置在斗桿前端的回轉(zhuǎn)桿

銷軸孔處，應(yīng)力值為132MPa?？傮w上看，從斗桿小端到大端應(yīng)力基本呈遞減規(guī)律。

③動(dòng)臂應(yīng)力分布

在該工況下動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況如圖4-8所示。

圖4-8動(dòng)臂的應(yīng)力分布

從圖4-8中可以看出動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況。從整體上看應(yīng)力最大的位置在動(dòng)臂與斗

桿連接處的動(dòng)臂上。

⑤連接蓋的應(yīng)力分布

該工況下連接蓋的應(yīng)力分布情況如圖4-9所示。

NODALSOIOTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SEQ7(AVG)

ENX=3.417

SMN=.160836

.16083633.82367.485101.147134.809

16.99250.65484.316117.978151.64

圖4-9連接蓋的應(yīng)力分布

從圖4-9中可以看出，連接蓋處的最大應(yīng)力在連接蓋的根部及加強(qiáng)筋遠(yuǎn)離連接蓋的一

側(cè)，總體看來，應(yīng)力很小。最大應(yīng)力值為151.64MPa。

4.1.3切向力、側(cè)向力和自身重力載荷作用

①工作裝置整體應(yīng)力分布

該工況下，在綜合載荷作用下計(jì)算得到工作裝置整體的應(yīng)力分布結(jié)果如圖4-10所

不。

圖4-10整體的應(yīng)力分布情況

從圖中可以看出，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在斗桿與鏟斗連接處的斗桿頭上及連接蓋的根

部。

②工作裝置的整體變形分布

該工況下工作裝置的整體變形如圖4-11所示。

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

USUM（杯）

的YS=0

DMX=52.782

SMX=52.782

A

011.72923.45935.18846.918

5.865L7.59429.3234L05352.782

圖4-11整體變形分布

從圖4-11中可以看出在偏載作用下，工作裝置的整體變形分布情況。在鏟斗齒尖

處的最大變形為52.8mm。

③斗桿應(yīng)力分布

該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-12所示。

NOE^LSOLUTION

.5265732.01263.49794.982126.468

16.26947.75479.24110.725142.21

MfiLSOUmOK

STEP=1

SUB=1

TD€=1

SW=.52657

SMK=142.21

圖4?12斗桿的應(yīng)力分布

從圖4-12中可以明顯的看出，在該工況下斗桿的應(yīng)力分布情況。由于該工況下，

工作裝置承受綜合載荷的作用，所以應(yīng)力最大的位置在斗桿與鏟斗的連接處斗桿頭上的

一側(cè)。其次在動(dòng)臂與斗桿連接處的斗桿上。

③動(dòng)臂應(yīng)力分布

該工況下動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況如圖4-13所示。

從圖4-13中可以看出動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況。從整體上看應(yīng)力最大的位置在動(dòng)臂與

斗桿連接處的動(dòng)臂上。其次在連接蓋的根部。

從圖中可以看出，在該工況下鏟斗的應(yīng)力比較大，應(yīng)力大的位置在鏟斗與斗桿

連接處，其值為153MPa。

④連接蓋的應(yīng)力分布

該工況下連接蓋的應(yīng)力分布情況如圖4-14所示。

圖4-14連接蓋的應(yīng)力分布

從圖4-14中可以看出，連接蓋處的最大應(yīng)力在連接蓋的根部一側(cè)及加強(qiáng)筋遠(yuǎn)離連

接蓋的一側(cè)。

4.2工況2

根據(jù)前面確定的載荷及約束情況，計(jì)算得到的結(jié)果如下。

1、工作裝置整體應(yīng)力分布

該工況下，在只有切向載荷和自身重力載荷作用時(shí)計(jì)算得到工作裝置整體的應(yīng)力分

圖4-15整體的應(yīng)力分布情況

從圖中可以看出，斗桿和動(dòng)臂均出現(xiàn)了大應(yīng)力的位置。詳見局部應(yīng)力分析。

2、斗桿應(yīng)力分布

該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-16所示。

圖4-16斗桿的應(yīng)力分布

從圖4-16中可以明顯的看出，在該工況下斗桿的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力最大的位置

在斗桿與動(dòng)臂的連接處以及鏟斗油缸的支座處。

3、動(dòng)臂應(yīng)力分布

在該工況下動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況如圖4-17所示。

圖4-17動(dòng)臂的應(yīng)力分布

從圖4-17中可以看出動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況。大應(yīng)力的位置主要是在斗桿油缸支座

處、連接蓋的根部以及動(dòng)臂下蓋板前端。

5、連接蓋的應(yīng)力分布

該工況下連接蓋的應(yīng)力分布情況如圖4-18所示。

1

NODALSOLUTION

STEFFI

SUB=1

TIME=1

SEQV(A^G)

EMX=2.877

SMN=.638233

SMX=240.182

033.33366.667100133.333

16.6675083.333116.667150

圖4-18連接蓋的應(yīng)力分布

從圖4-18中可以看出，連接蓋處的最大應(yīng)力在連接蓋的根部?jī)?nèi)側(cè)及加強(qiáng)筋遠(yuǎn)離連接

蓋的一側(cè)。

4.3工況3

根據(jù)前面確定的載荷及約束情況，計(jì)算得到的結(jié)果如下。

1、工作裝置整體應(yīng)力分布

該工況下，在只有切向載荷和自身重力載荷作用時(shí)計(jì)算得到工作裝置整體的應(yīng)力分

布結(jié)果如圖4-19所示。

圖4/9整體的應(yīng)力分布情況

從圖中可以看出，大應(yīng)力的位置主要在斗桿上。詳見局部應(yīng)力分析。

2、斗桿應(yīng)力分布

該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-20所示。

NOI^LSOLUTION

STEP=1

.95799443.13785.316.127.495169.673

22.04764.226106.405148.584190.763

圖4?20斗桿的應(yīng)力分布

從圖4-20中可以明顯的看出，在該工況下斗桿的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力最大的位置

在斗桿與動(dòng)臂的連接處以及鏟斗油缸的支座處。

3、動(dòng)臂應(yīng)力分布

在該工況下動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況如圖4-21所示。

圖4-21動(dòng)臂的應(yīng)力分布

從圖4-21中可以看出動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況。大應(yīng)力的位置主要是在斗桿油缸支座

處、動(dòng)臂下蓋板前端及動(dòng)臂與斗桿連接處。

5,連接蓋的應(yīng)力分布

該工況下連接蓋的應(yīng)力分布情況如圖4-22所示。

K)[?LSOUJTION

STEP=1

SUB=1

TIbE=l

.27087215.99531.71947.44363.168

8.13323.85739.58155.30671.03

圖4-22連接蓋的應(yīng)力分布

從圖4-22中可以看出，在該工況下，連接蓋處應(yīng)力值比較小。

4.4工況4

根據(jù)前面確定的載荷及約束情況，計(jì)算得到的結(jié)果如下。

4.4.1只有切向力和自身重力載荷作用

①工作裝置整體應(yīng)力分布

該工況下，在只有切向載荷作用時(shí)計(jì)算得到工作裝置整體的應(yīng)力分布結(jié)果如圖4-23

圖4-23整體的應(yīng)力分布情況

從圖中可以看出，整體最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在連接蓋的根部。

②斗桿應(yīng)力分布

該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-24所示。

46.66760

圖4-24斗桿的應(yīng)力分布

從圖4-24中可以明顯的看出，在該工況下斗桿的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力最大的位置

在斗桿與動(dòng)臂的連接處。

③動(dòng)臂應(yīng)力分布

在該工況下動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況如圖4-25所示。

從圖4-25中可以看出動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況。從整體上看應(yīng)力最大的位置在連接蓋

的根部，其次在動(dòng)臂與斗桿連接處的動(dòng)臂端部。

④連接蓋的應(yīng)力分布

該工況下連接蓋的應(yīng)力分布情況如圖4-26所示。

NO應(yīng)SOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SEQV（麗）

.25579651.589102.923154.256205.589

25.92277.256128.589179.923231.256

NO?LSOLUTION

014.444為?湖43.3334坐72.22286.667101.Hl115-^130,4182012八40.987一81.555122,123162.692^

20.70261.271"101.839142.407382.9M

圖4?26連接蓋的應(yīng)力分布

根據(jù)上面的分析，能夠知道，連接蓋處的應(yīng)力是整個(gè)工作裝置中最大的，從圖4-26

中可以看出，連接蓋處的最大應(yīng)力在連接蓋的根部及加強(qiáng)筋遠(yuǎn)離連接蓋的一側(cè)。

4.4.2只有側(cè)向力和自身重力載荷作用

①工作裝置整體應(yīng)力分布

該工況下，在只有側(cè)向載荷作用時(shí)計(jì)算得到工作裝置整體的應(yīng)力分布結(jié)果如圖4-27

所示。

NODALSOIOTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SEG7（麗）

EWX=18.726

SMN=.862E-03

SMX=312.466

022.22244.44466.66788.889

11.11133.33355.55677.778100

圖4-27整體的應(yīng)力分布情況

從圖中可以看出，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)動(dòng)臂與斗桿連接處的動(dòng)臂頭上、斗桿與鏟斗連

接處的斗桿頭上及連接蓋的根部。由于該工況下，工作裝置只承受扭矩，所以在整個(gè)工

作裝置中抗扭截面模量最?。ń孛婷娣e最?。┨幍膽?yīng)力最大。

②工作裝置的整體變形分布

該工況下工作裝置的整體變形如圖4-28所示。

從圖4-28中可以看出在僅有偏載作用下，工作裝置的整體變形分布情況。

③斗桿應(yīng)力分布

該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-29所示。

從圖4-29中可以明顯的看出，在該工況下斗桿的應(yīng)力很小僅有44MPa,最大應(yīng)力

位置在斗桿與鏟斗連接處的斗桿上。

③動(dòng)臂應(yīng)力分布

在該工況下動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況如圖4-30所示。

從圖4-30中可以看出動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況。從整體上看應(yīng)力最大的位置在連接蓋

加強(qiáng)筋遠(yuǎn)離連接蓋端。

④連接蓋的應(yīng)力分布

該工況下連接蓋的應(yīng)力分布情況如圖4-31所示。

NOI^LSOLJTION

STEP^l

SUB=1

TIME=1

SEQV（麗）

H4X=3.514

017.77835.55653.33371.111

8.88926.66744.44462.22280

圖4?31連接蓋的應(yīng)力分布

從圖4.31中可以看出，連接蓋處的最大應(yīng)力在連接蓋的根部及加強(qiáng)筋遠(yuǎn)離連接蓋的

一側(cè)。

4.4.3切向力、側(cè)向力和自身重力載荷作用

①工作裝置整體應(yīng)力分布

該工況下，在綜合載荷作用下計(jì)算得到工作裝置整體的應(yīng)力分布結(jié)果如圖4-32所

小O

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SEQV(AVG)

II低=42.019

SMN=.907E-03

SMX=468.778

33.33366.667100133.333

16.6675083.333116.667150

圖4-32整體的應(yīng)力分布情況

從圖中可以看出，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在連接蓋的根部。由于切向載荷是側(cè)向載荷的

1.67倍，所以切向載荷起主要作用，因此導(dǎo)致連接蓋根部的應(yīng)力值最大。

②工作裝置的整體變形分布

該工況下工作裝置的整體變形如圖4-33所示。

NODALSOIOTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

USUM（麗）

RSYS=0

EMC=42.019

SMX=42.019

圖4-33整體變形分布

從圖4-33中可以看出在偏載作用下，工作裝置的整體變形分布情況。

③斗桿應(yīng)力分布

該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-34所示。

NODALSOLUTION

STEE^l

SUB=1

TIME=1

SEQV（麗）

ENX=31.943

SWN=.578289

SMX=78.863

CP

.57828917.97535.37152.76870.165

9.27726.67344.0761.46678.863

圖4-34斗桿的應(yīng)力分布

從圖4-34中可以明顯的看出，在該工況下斗桿的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力最大的位置

在斗桿與鏟斗的連接處，然后應(yīng)力隨著抗扭截面模量的增大而減小，即與偏載情況相近。

③動(dòng)臂應(yīng)力分布

在該工況下動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況如圖4-35所示。

圖4-35動(dòng)臂的應(yīng)力分布

從圖4-35中可以看出動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況。應(yīng)力最大的位置在連接蓋的根部，與只

受切向載荷的工況相近。

④連接蓋的應(yīng)力分布

該工況下連接蓋的應(yīng)力分布情況如圖4-36所示。

NOCftLsourncw

圖4-36連接蓋的應(yīng)力分布

從圖4-36中可以看出，連接蓋處的最大應(yīng)力在連接蓋的根部及內(nèi)側(cè)以及加強(qiáng)筋遠(yuǎn)離

連接蓋的一側(cè)。

4.5工況5：只有慣性力和重力載荷作用

根據(jù)前面確定的載荷及約束情況，計(jì)算得到的結(jié)果如下。

4.5.1.大斗

工作裝置整體的位移分布

該工況下，工作裝置整體變形分布如圖4-37所示。

NO甌SOLUTION

STEB=1

SUB=1

TIME=1

USUM(2W)

RSYS=0

H4X=42.087

SMX=42.087

09.35328.05837.411

4.67614.02923.38232.73542.087

圖4?37整體變形分布

從圖4-37中可以看出，在該工況下，工作裝置的整體變形情況。由于制動(dòng)慣性力

矩的作用，使整個(gè)工作裝置向一側(cè)偏轉(zhuǎn)。

斗桿應(yīng)力分布

該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-38所示。

圖4-38斗桿的應(yīng)力分布

在該工況下，斗桿承受彎和扭的綜合載荷的作用。從圖4-38中可以明顯的看出，

在該工況下斗桿的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力最大的位置在斗桿與動(dòng)臂的連接處的一側(cè)和鏟斗

油缸支座的一側(cè)。最大應(yīng)力值為77.6MPa。

動(dòng)臂應(yīng)力分布

在該工況下動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況如圖4-39所示。

圖4-39動(dòng)臂的應(yīng)力分布

從圖4-39中可以看出動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況。從整體上看應(yīng)力最大的位置在動(dòng)臂與

車架連接處，最大應(yīng)力值為98.768MPa。

連接蓋的應(yīng)力分布

該工況下連接蓋的應(yīng)力分布情況如圖4-40所示。

NODftLSOLUTION

STEB=1

SUB=1

TIME=1

SEQV(AVG)

.29579156.877113.458170.039226.62

28.58685.167141.748198.329254.911

圖4-40連接蓋的應(yīng)力分布

從圖4-40中可以看出，連接蓋處的最大應(yīng)力在連接蓋的根部及加強(qiáng)筋遠(yuǎn)離連接蓋

的一側(cè)。

4.5.2小斗

①工作裝置整體的位移分布

該工況下，工作裝置整體變形分布如圖4-41所示。

NOD^LSOLUTION

STEB=1

SUB=1

TIME=1

USUM(2W)

RSYS=0

H4X=31.649

SMX=31.649

07.03314.06621.09928.132

3.51710.5517.58324.61631.649

圖4?41整體變形分布

從圖4-41中可以看出，在該工況下，工作裝置的整體變形情況。由于制動(dòng)慣性力

矩的作用，使整個(gè)工作裝置向一側(cè)偏轉(zhuǎn)。

②斗桿應(yīng)力分布

該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4.42所示。

圖4-42斗桿的應(yīng)力分布

在該工況下，斗桿承受彎和扭的綜合載荷的作用。從圖4-42中可以明顯的看出，

在該工況下斗桿的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力最大的位置在斗桿與動(dòng)臂的連接處的一側(cè)和鏟斗

油缸支座的一側(cè)。

③動(dòng)臂應(yīng)力分布

在該工況下動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況如圖4-43所示。

從圖4-43中可以看出動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況。從整體上看應(yīng)力最大的位置在連接蓋的

根部，其次在動(dòng)臂上動(dòng)臂和斗桿的連接處。

④連接蓋的應(yīng)力分布

該工況下連接蓋的應(yīng)力分布情況如圖4-44所示。

圖4-44連接蓋的應(yīng)力分布

從圖4-44中可以看出，連接蓋處的最大應(yīng)力在連接蓋的根部及加強(qiáng)筋遠(yuǎn)離連接蓋的

一側(cè)。最大應(yīng)力位201.963MPa。

4.5.3小斗與大斗應(yīng)力對(duì)比

大斗加物料總重3.255t,小斗加物料總重2.355t,所以小斗加物料的總重是大斗

加物料總重的72.4%o

安裝小斗時(shí)最大的應(yīng)力值為201.9MPa,安裝大斗時(shí)最大的應(yīng)力值為254.9MPa,所

以小斗的最大應(yīng)力值是大斗的最大應(yīng)力值的79.2%0

安裝小斗時(shí)最大的變形值為31.6mm,安裝大斗時(shí)最大的變形值為42.0mm,所以小

斗的最大變形值是大斗的最大變形值的73.8%。

5改進(jìn)后幾何模型的簡(jiǎn)化及建立

動(dòng)臂的改進(jìn)結(jié)構(gòu)是在德方原結(jié)構(gòu)上動(dòng)臂內(nèi)部加焊加強(qiáng)板和動(dòng)臂支耳加焊加強(qiáng)板。斗

桿的改進(jìn)結(jié)構(gòu)是在德國(guó)原設(shè)計(jì)的長(zhǎng)斗桿的基礎(chǔ)上將斗桿下底板加長(zhǎng)，插入側(cè)板，將斗桿

與動(dòng)臂連接處的加強(qiáng)板加大，將斗桿與動(dòng)臂連接處的銷軸加粗。

主要是依據(jù)己知的圖紙數(shù)據(jù)在Catia和UG三維建模軟件中建立車架、動(dòng)臂、斗桿

及鏟斗的幾何模型。在建模過程中，去掉了螺紋孔、很小的不影響計(jì)算結(jié)果的倒角、運(yùn)

輸?shù)醵炔挥绊懹?jì)算結(jié)果，但卻很耗費(fèi)機(jī)時(shí)、工時(shí)的要素。

在實(shí)際模型中焊縫處都按連續(xù)處理，其材料按照與母材相同處理。這樣可以節(jié)

省很多計(jì)算資源，也可以使關(guān)心的部分的計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

5.1動(dòng)臂幾何模型的簡(jiǎn)化及建立

此模型是依據(jù)圖紙3073990及相關(guān)的零件圖尺寸，運(yùn)用Catia三維建模軟件建立的。

建模過程中，對(duì)運(yùn)輸?shù)醵昂缚p進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。

最終建立的動(dòng)臂的幾何模型如圖5-1所示。

圖5-1動(dòng)臂的幾何模型

5.2斗桿幾何模型的簡(jiǎn)化及建立

此模型是依據(jù)圖紙4550285及相關(guān)的零件圖尺寸數(shù)據(jù)，運(yùn)用Catia建模軟件建立的。

建模過程中，對(duì)焊縫、工藝孔及很小的倒角進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。

最終建立的斗桿的幾何模型如圖5-2所示。

圖5-2斗桿的幾何模型

5.3鏟斗幾何模型的簡(jiǎn)化及建立

此模型是依據(jù)圖紙4573953及相關(guān)的零件圖尺寸數(shù)據(jù)，運(yùn)用Catia三維建模軟件建

立的。在建模過程中，對(duì)焊縫及很小的倒角進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，認(rèn)為焊縫處的材料屬性

與母材相同。

最終建立的鏟斗的幾何模型如圖5-3所示。

%

5.4車架幾何模型的簡(jiǎn)化及建立

此模型是依據(jù)圖紙5404122及相關(guān)的零件圖尺寸數(shù)據(jù)，運(yùn)用UG三維建模軟件建立

的。在建模過程中，對(duì)焊縫及很小的倒角進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，認(rèn)為焊縫材料與母材相同。

最終建立的車架的幾何模型如圖5-4所示。

圖5-4車架的幾何模型

5.5連接蓋幾何模型的簡(jiǎn)化及建立

此模型主要是依據(jù)1173464圖紙的尺寸，運(yùn)用UG三維建模軟件建立的。此模型的

尺寸雖然小，但其結(jié)構(gòu)卻是很復(fù)雜，在UG中運(yùn)用了高級(jí)曲面造型的建模方法建立了該

模型。在建模過程中，對(duì)螺紋孔及很小的倒角進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。

最終建立的連接蓋的幾何模型如圖5-5所示。

圖5-5連接蓋的幾何模型

5.6整體裝配幾何模型

將以上各個(gè)部分裝配到一起的幾何模型如圖5-6所示。

圖5-6整體裝配的幾何模型

6改進(jìn)后有限元模型的建立

6.1單元類型的選擇

由于工作裝置的實(shí)際結(jié)構(gòu)主要是由薄鋼板焊接成的，且?guī)缀文Ｐ秃軓?fù)雜，故劃分有

限元模型的單元類型選擇三維實(shí)體單元Solid45oSolid45單元類型一般用于規(guī)則實(shí)體結(jié)

構(gòu)模型，有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有x、y、z三個(gè)方向的移動(dòng)自由度。該單元有塑性、蠕

變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變的性能。因此Solid45單元可以滿足此計(jì)算的要

求。油缸采用link8單元模擬。連接蓋的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以該結(jié)構(gòu)必須用高維帶中間

節(jié)點(diǎn)的Solid95單元來模擬。但卻增大了很多的計(jì)算量。

6.2有限元模型的建立

為了保證計(jì)算精度，網(wǎng)格要盡量劃分的細(xì)一些。同時(shí)還要考慮到計(jì)算時(shí)間。所以在

不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，將網(wǎng)格劃分的要粗一些。綜合以上兩點(diǎn)，建立的工作裝置有

限元模型如圖6-1所示。

圖6-1工作裝置有限元模型

7改進(jìn)后工況的確定及載荷計(jì)算

根據(jù)GB9141-88,確定反鏟單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置的計(jì)算工況共分為四大種。

7.1工況1

1、該工況下，工作裝置位置描述

動(dòng)臂液壓缸全縮，斗桿液壓缸作用力臂最大，斗齒尖位于鏟斗與斗桿較點(diǎn)和斗桿與

動(dòng)臂錢點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上。

具體的安裝位置如圖7-1所示。

圖7-1工作裝置的具體位置

2、該工況下載荷確定及計(jì)算

該工況下載荷分為重力、切向力和側(cè)向力。

①切向力的方向垂直于鏟斗與斗桿錢點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂錢點(diǎn)連線，作用在邊齒齒尖。

大小為44000N,保證動(dòng)臂和斗桿油缸的力不超過最大值。具體的加載方式如圖7-2所

小0

圖7-2只受切向力作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受拉力，其值為26.9t。斗桿油缸承受的壓力為3L5t,小于

能夠承受的最大壓力56.7t。鏟斗油缸的壓力19.3t,小于能夠承受的最大壓力45.2t。

②側(cè)向力的方向垂直于工作裝置所在的平面，作用在邊齒齒尖，大小由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的

制動(dòng)力矩及防傾翻力矩確定。其中制動(dòng)力矩為59kN.M,計(jì)算得到斗齒上的力為

225191N,但此力已經(jīng)使車傾翻。故側(cè)向載荷應(yīng)保證使車不傾翻。側(cè)向抗傾翻力矩為

280kN.M,按此值計(jì)算得到的側(cè)向載荷為52880No

具體的加載方式如圖7-3所示。

圖7-3只受偏載作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受壓力，其大小為11.3t,小于動(dòng)臂油缸能夠承受的最大壓力

45.2to鏟斗油缸在側(cè)向載荷作用下幾乎不受力。斗桿油缸承受的壓力為4.0t,遠(yuǎn)小于最

大壓力。

③側(cè)向力和切向力的綜合作用

側(cè)向力與切向力的值與①、②相同。其具體的加載方式如圖7-4所示。

圖7-4綜合載荷作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受拉力，其值為273達(dá)到了動(dòng)臂油缸所能承受的最大拉力

值。斗桿油缸承受的壓力為3L5t,小于能夠承受的最大壓力56.7t。鏟斗油缸的壓力19.33

小于能夠承受的最大壓力45.2to

7.2工況2

1、該工況下，工作裝置位置描述

動(dòng)臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，斗齒尖位于鏟斗與斗桿較點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂欽點(diǎn)連

線的延長(zhǎng)線上。

具體的安裝位置如圖7-5所示。

圖7-5工作裝置的具體位置

2、該工況下載荷確定及計(jì)算

該工況下載荷分為重力和切向力。

切向力的方向垂直于鏟斗與斗桿較點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂較點(diǎn)連線，作用在中齒齒尖。大

小為92000N,使鏟斗油缸的推力達(dá)到最大，同時(shí)保證動(dòng)臂和斗桿油缸的力不超過最大

值。具體的加載方式如圖7-6所示。

K_|Z

圖7-6只受切向力作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受拉力，其值為26.7t,剛好等于動(dòng)臂油缸能夠承受的最大拉

力。斗桿油缸承受的壓力為56.3t,小于能夠承受的最大壓力56.7to鏟斗油缸承受的壓

力為38.2t,小于能夠承受的最大壓力45.2%

7.3工況3

1、該工況下，工作裝置位置描述

動(dòng)臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，鏟斗液壓缸以最大當(dāng)量力臂工作。

具體的安裝位置如圖7-7所示。

圖7-7工作裝置的具體位置

2、該工況下載荷確定及計(jì)算

該工況下載荷分為重力和切向力。

切向力的方向垂直于鏟斗斗齒尖和鏟斗與斗桿較點(diǎn)連線，作用在中齒齒尖。大小為

100000N,使鏟斗油缸的推力達(dá)到最大，同時(shí)保證動(dòng)臂和斗桿油缸的力不超過最大值。

具體的加載方式如圖圖7-8所示。

圖圖7-8只受切向力作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受拉力，其值為6.3to斗桿油缸承受的壓力為57t,達(dá)到了

斗桿油缸所能承受的最大值。鏟斗油缸承受的壓力為42t,小于能夠承受的最大壓力

45.2to

7.4工況4

1、該工況下，工作裝置位置描述

動(dòng)臂液壓缸全縮，斗齒尖位于鏟斗與斗桿錢點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂較點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上,

且該三點(diǎn)所在的直線位于鉛垂線上。

具體的安裝位置如圖7-9所示。

圖7-9工作裝置的具體位置

2、該工況下載荷確定及計(jì)算

該工況下載荷分為重力、切向力和側(cè)向力。

①切向力的方向垂直于鏟斗與斗桿較點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂較點(diǎn)連線，作用在邊齒齒尖。

大小為30000N,使鏟斗油缸的推力達(dá)到最大，同時(shí)保證動(dòng)臂和斗桿油缸的力不超過最

大值。具體的加載方式如圖7-10所示。

圖7-10只受切向力作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受拉力，其值為27to斗桿油缸承受的壓力為29.793小于

能夠承受的最大壓力56.7t。鏟斗油缸的壓力小于能夠承受的最大壓力45.2t。

②側(cè)向力的方向垂直于工作裝置所在的平面，作用在邊齒齒尖，大小由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的

制動(dòng)力矩確定。其中制動(dòng)力矩為59kN.M,計(jì)算得到斗齒上的力為17987.8N。

具體的加載方式如圖7-11所示。

圖7-11只受偏載作用

該工況下，動(dòng)臂油缸承受