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液壓挖掘機(jī)在挖掘過(guò)程中負(fù)載變化劇烈，其各部件承受著各種惡劣工況下載荷的作用，其強(qiáng)度、可靠性和耐久性直接關(guān)系到挖掘機(jī)的工作性能和工作效率，因此對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行工況研究和強(qiáng)度分析具有非常重要的意義。本文建立了某型挖掘機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型及整機(jī)有限元分析模型，通過(guò)虛擬試驗(yàn)得到各種危險(xiǎn)姿態(tài)，并通過(guò)強(qiáng)度分析，確定出挖掘機(jī)最惡劣的工作姿態(tài)。
在挖掘機(jī)動(dòng)力學(xué)模型中，為了避免過(guò)約束及模擬挖掘機(jī)工作裝置實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，部分工作裝置間采用球鉸連接或是Bushing連接代替銷軸連接，Bushing均只保留所需方向的自由度；上車部分各部件之間均采用固定副連接，與實(shí)際相符；因?yàn)橄萝嚥糠指鞑考g的運(yùn)動(dòng)與本次分析無(wú)關(guān)，從減少計(jì)算時(shí)間考慮，下車部分各部件之間同樣均采用固定副；上車部分及下車部分連接的部件分別為回轉(zhuǎn)平臺(tái)與回轉(zhuǎn)支承，兩者之問(wèn)設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)副，與實(shí)際相符。如圖所示的挖掘機(jī)動(dòng)力學(xué)從挖掘機(jī)實(shí)際情況分析，各油缸的伸長(zhǎng)和收縮、回轉(zhuǎn)馬達(dá)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)工作狀態(tài)的變化，因此在各油缸缸筒與活塞桿之間設(shè)置力函數(shù)實(shí)現(xiàn)油缸的主動(dòng)推力或限定推力，在網(wǎng)轉(zhuǎn)平臺(tái)與網(wǎng)轉(zhuǎn)支承間的旋轉(zhuǎn)副設(shè)置位移驅(qū)動(dòng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)工作裝置及上車部分的整體回轉(zhuǎn)。
在模型建立之前，需要根據(jù)分析目的，對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體原則如下：(1)除去一些不承受載荷的非關(guān)鍵螺栓、輸油管道、一些小掛件等小部件；(2)對(duì)三維模型中一些建議誤差予以天平或去除；(3)對(duì)很小的孔洞進(jìn)行填補(bǔ)，例如原來(lái)為一些線路、非關(guān)鍵螺釘預(yù)留的孔洞；(4)對(duì)不在關(guān)鍵地方的倒角進(jìn)行消除，比如鑄件的棱邊總是存在的倒角；(5)為了保證計(jì)算結(jié)果的精度，在各個(gè)部件的厚度或延伸方向上，至少有3層單元。(6)在一些過(guò)渡的地方，采用的網(wǎng)格單元數(shù)目要求能夠反映出原來(lái)幾何體的形狀。如圖所示，為挖掘機(jī)整機(jī)有限元模型，包括動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、上車架、回轉(zhuǎn)支撐、下車架等部件。其中，使用梁?jiǎn)卧M動(dòng)臂、斗桿、及鏟斗油缸；各部件均根據(jù)實(shí)際物理樣機(jī)建立連接關(guān)系。整機(jī)有限元模型包含157萬(wàn)單元，最小雅閣比0.1，其中雅閣比0.7以上的單元占到99%以上。
本次共確定了3種工況，分別為挖掘工況、提升制動(dòng)工況及回轉(zhuǎn)制動(dòng)工況。在挖掘工況下，確定如圖所示的10種工作姿態(tài)。其中挖掘力均施加在鏟斗中齒齒尖，其力-向取決于挖掘機(jī)挖掘的方式，當(dāng)挖掘機(jī)為鏟斗一挖掘時(shí)，挖掘力垂直于斗桿與鏟斗鉸接點(diǎn)、鏟斗中齒齒尖兩點(diǎn)連線，當(dāng)挖掘機(jī)為斗桿挖掘時(shí)，挖掘力垂直于斗桿與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)、鏟斗中齒齒尖連線。挖掘工況10種工作姿態(tài)分別為：姿態(tài)1：動(dòng)臂油缸、斗桿油缸作用力臂最大，鏟斗油缸處于最大挖掘力姿勢(shì)；姿態(tài)2：動(dòng)臂油缸作用力臂最大，斗桿油缸全縮，鏟斗油缸處于最大挖掘力姿勢(shì)；姿態(tài)3：動(dòng)臂基準(zhǔn)線水平，斗桿垂直于地面，鏟斗油缸處于最大挖掘力姿勢(shì)；姿態(tài)4：動(dòng)臂油缸全縮，斗桿垂直于地面，鏟一斗油缸處于最大挖掘力姿勢(shì)；姿態(tài)5：動(dòng)臂油缸和斗桿油缸作用力臂最大，斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)、斗桿與鏟斗鉸點(diǎn)、鏟斗中齒齒尖二點(diǎn)共線；姿態(tài)6：動(dòng)臂油缸全縮，斗桿垂直于地面，斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)、斗桿與鏟斗鉸點(diǎn)、鏟斗中齒齒尖三點(diǎn)共線；姿態(tài)7：動(dòng)臂油缸全縮，斗桿與斗桿油缸鉸點(diǎn)、斗桿與鏟斗鉸點(diǎn)、鏟斗中齒齒尖三點(diǎn)連線并且垂直于斗桿油缸；姿態(tài)8：動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸均全縮；姿態(tài)9：斗桿油缸全縮，斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)、斗桿與鏟斗鉸點(diǎn)、鏟斗中齒齒尖三點(diǎn)共線，調(diào)整動(dòng)臂油缸使鏟斗齒尖位于地面；姿態(tài)10：動(dòng)臂油缸全縮，斗桿油缸作用力臂最大，斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)、斗桿與鏟斗鉸點(diǎn)、鏟斗中齒齒尖三點(diǎn)共線。在此工況下，確定如圖所示的2種工作姿態(tài)。此工況下，挖掘機(jī)受物料重力及回轉(zhuǎn)制動(dòng)力，其中物料重力取滿載土重，作用于鏟斗質(zhì)心，方向?yàn)槭冀K垂直向下；回轉(zhuǎn)制動(dòng)力大小取決于不同姿態(tài)下挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)作用力臂的大小及最大回轉(zhuǎn)制動(dòng)力矩，作用于鏟斗邊齒齒尖，方向?yàn)榇怪敝赶蚣埫鎯?nèi)側(cè)。
提升制動(dòng)工況2種工作姿態(tài)分別為：姿態(tài)11：斗桿油缸全縮，鏟斗油缸全伸，調(diào)整動(dòng)臂油缸使斗桿與鏟斗鉸點(diǎn)離回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)，則工作裝置及上車部分整體向右側(cè)旋轉(zhuǎn)900。姿態(tài)12：動(dòng)臂油缸及鏟斗油缸全伸，調(diào)整斗桿油缸使鏟斗齒緣線水平，工作裝置及上車部分整體向右側(cè)旋轉(zhuǎn)900。在此工況下，確定3種工作姿態(tài)，如圖所示。其中回轉(zhuǎn)制動(dòng)力均施加在邊齒齒尖，方向?yàn)榇怪敝赶蚣埫鎯?nèi)側(cè)�；剞D(zhuǎn)制動(dòng)力的大小取決于不同姿態(tài)下挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)作用力臂的大小及最大回轉(zhuǎn)制動(dòng)力矩�；剞D(zhuǎn)制動(dòng)工況下3種工作姿態(tài)分別為：姿態(tài)13：動(dòng)臂基準(zhǔn)線水平，斗桿及鏟斗斗緣線均垂直于地面。姿態(tài)14：斗桿油缸全縮，動(dòng)臂與回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸點(diǎn)、斗桿與鏟斗鉸點(diǎn)連線水平，鏟斗斗緣線垂直于地面。姿態(tài)15與姿態(tài)11各油缸長(zhǎng)度相同，只是載荷施加方法不同。
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