液压挖掘机工作装置结构分析与优化改进研究.docx

摘要液压挖掘机是土石方工程的主要施工机械，广泛应用于能源、交通、水利、城彷隹设以及现代化军邪工程等领域的机械化施工。液压挖掘机利用工作装置进行土石方挖掘，工作装置的性能和可毒性是壑机先进性的重要标志.工作装血的作业由三个油抗的熨合动作及铲斗和土石方的相互作用来实现，其运动和受力分析怡况比较复杂，工程应用中用用现动臂或斗杆开裂失效、挖掘区域不合理、工作奘置与机体F涉以及工作装置校点销轴5期断裂等故障，给企业造成r巨大损失，直接影响j国内挖掘机行业的发植.和其他国外的工程机械产品相比，国产液压技搦机缺少竞争力，在国内的市场占有率也是相对较低.液压挖掘机工作装置的优化设计是液压挖掘机设计中极为至要的一部分，它对于提高抠机的工作效率，提高挖施机的作业性能具有曳要的意义.本文在对挖掘机反铲装置进行了运动学、动力学分析的基础上，得到了反铲装置各关求点的坐标和实现挖掘力的限制条件：应用PrOE软件建立r反铲装置的实体模型及约束条件，分析了挖掘机反护奘置十杆的各个点的受力情况，并利用ANSYS软件时斗杆进行r有双元分析,从而为下一步实体设计和强度校核提供了可雅的参考数据：最后对该有限元分析模型的分析结果进行了生产实践强度的试公般证。关键词：液压挖掘机：工作装置；结构分析：结构优化：ANSYS第1章绪论1.1 研究背景挖掘机械是一种重要的工程机械，在全世界社会建设中发挥了重要作用1。目前，中大型挖掘机客户作业范用向铁路、公路、矿产集中,小型挖掘机客户作业范用向新农村建设、市政工程集中.同时，工作装过的多样化，使得挖掘机可以完成击碎、分解、种树等多种功能，因而被广泛应用于大型水利、铁路、房地产、丁产、新农村、市政等领域，其2015年行业分布概况如图1-1所示.由此可见,挖掘机在社会建没中的作用越来越明显.图1-1我国挖掘机用户行业分布概览自改革开放到2013年的35年中，中国经济连续取得了年均9.8%的高速增长率，为人类经济史上前无古人的奇迹2。中国工程机械在助推经济发展、社会建设的同时亦取得r长足的发展，扩展了国内外市场了但是，自2010年初中国经济增长率开始减线,且正处于结构调性阵痛期、增长速度换挡期和前期玫策消化期三期孙加的关键时期。中国工程机械市场受“三期i¾加”效应等多重因素的影响,正由增量市场逐渐转化为存武市场，去库存化成为每个工程机械公H迫切希望解决的问题。挖掘机行业受大环境的影响正面临看巨大的压力与考验，市场饱和、需求减少、产能过剩、需求结构发生改变等。挖掘机企业也因此收益大幅缩水，如图12所示，利润相对较高的中挖的需求在机型需求比例中逐年减少，大挖需求稳定。为赢得市场，加快适应需求结构的变化和行业转型升级的要求，各企业加大研发投入，以创新求发展，以质量铸品牌。小挖中挖大挖200920102011201220132014年份图12我国挖掘机机型需求变化由于社会分工，绝大多数挖掘机企业只生产结构件，因而其利润主要来源于结构件。如若工作装置因设计不周而存在缺陷，导致其在实际运用中失效，那么它将引起巨大的经济损失。而在绝大多数失效中，动臂的失效尤其严重。因此，动伸的可靠性对整机影响很大，其设计好坏直接决定了工作装置使用寿命的长短4。因此，在研发设计中，应采用先进可靠的分析软件以提高产品的设计能力。若是在动臂设计之初就能优化其设计，把握其性能，发现其缺陷,那么降低研发成本，缩短冏期，提高创新能力和技术实力便水到柒成。CAE作为一种技术与方法，为各种各样的现代设计提供了强有力的支控，因而备受全世界工程师的青睐，是他们完成各类设计与创新的左膀右Vt他们将通过虚拟仿真技术，简单、快捷的实现设汁方案的验证，将缺陷与不合理扼杀于摇篮。同时，当市场反馈失效信息时，相应的失效原因可以通过虚拟仿式技术很快的被找出，省时、省力、省成本。CAE软件已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主要技术工具之一，并对工程和产品制造业的技术创新行重大影响。1.2 研究对象及课题的来源动皆为本文主要研究时象，对其进行受力分析、仿真与测试。动臂受力十分复杂，除了受简单拉、压外，往往还处于弯曲、扭转的复合作用状态，这主要是因为：D作业环境多变，作业工况复杂，作业对象多样，使得动臂受力较为恶劣。2）挖掘机的作业是通过末端工具与施工对象的相互作用来完成施工的4,整个作业过程是一个动态过程，使得动臂受力状况复杂多变。3）挖掘过程几乎都是由各部件协同完成，很少有部件单独完成的运动，且不同的操作人员有不同的操作方式与习惯，因而动臂的运动也卜分贪杂。由于社会建设、工业生产，对矿产地需求逐年增长，一些矿产做为不可再生能源，在陆地上的存储量越来越少，导致开采难度日益熠加，使得运用在砂产开发的大35挖掘机工作环境更加恶劣和更杂。剧烈变化的负载,我荷卸去和我荷施加的突然性就会对挖掘机工作装置产生巨大的冲击力，会大大增加动购受力情况的更杂性，边界条件难以准确施加这一特点，使用CAE仿真软件对挖掘机整体进行静力分析，并通过测试进行验证，通过对比测试与分析结果，验证仿真分析结论的可靠度，最终依据仿真结果对斗杆结构进行改进。1.3 国内外研究现状1.3.1 国内外挖掘机的研究现状一些资本主义世界国家有着雄厚的工业技术基础和需求，因此挖掘机首先出现在这些国家。到二十世纪后叶，挖掘机的向着超大型、人工智能、特定用途、微型多功能方向发展。从操作模式来看，挖掘机正在向着自动化方向发展。现代工业时挖抠机操作系统的可靠性要求越来越高,促使其控制方式向着机电液联合方向发展。例如，借助于机器人技术的自动控制、通过遥感定位技术的远程控制、气压液压和伺服技术结合的智能控制等。液压挖掘机的操纵系统向若智能化方向发展。现代工业对挖掘机操作系统的可靠性要求越来越高，促使其控制方式不断向电子电气控制、液压伺服控制、气压控制、无线电遥控控制甚至自动控制方向发展。我国的液压挖掘机行业从诞生到现在已经有50多年了，基本上可分成1个阶段。D19677977年为开发阶段，此阶段的开发主要是仿制外国产品。经过科研工作者攻坚克难，我国液压挖掘机终于实现了从无到有的突破，尽管型号还非常少，功能还不强大。2) 19781986年在这个阶段我国从结构、液压、电粉、控制等方面开始对挖掘机进行综合研究，机械式挖掘机初步被淘汰。期间各主要生产公司通过引进德国样机然后进行模仿、研究和创新，使我国国产产品的技术水平得到了迅速的提高.3) 19877993年在这个阶段挖掘机的生产能力和质量水平已经不能满足我国大规模生产建设的需要，因此挖掘机的生产厂家如雨后春界般涌现出来。这些企业同日本企业合作，走的是一条技术和贸易相结合，管理和生产相结合的新型生产道路，企业通过引进先进的挖掘机生产工艺再结合本身的研发努力，填补了国内挖掘机市场国有产品的空白。4) 1994年至今外国企业单独建立的或者跟中国企业合作建立的厂家不断涌现。这个阶段是社会主义现代化飞速建设的时期，国内挖掘机生产企业的生产能力已经不能满足市场的需求，一些国外挖掘机生产企业纷纷来华建厂生产.在江苏徐州的金山桥开发区，美国的卡特彼勒公司独资兴建了卡特彼勒(徐州)有限公司。经过50多年的发展与经验积累，我国的挖掘机制造行业取得了长足的进步，但是从总体上看，与国际上挖掘机制造技术先进的国家相比,我国的挖掘机制造技术仍I日处于初级水平。13.2国内外CAE的研究现状CAE技术是集多种学科知识、工程技术于一身，涵盖广、功能强的一门综合性技术。CAE技术起源于20世纪50年代中期：60、70年代处于探索阶段；70年代初期实用的CAE软件诞生。从70年到85年的15年里，CAE软件获得蓬勃发展，在完善其技术的同时，走向广商品化5。80年代后期，各国开发了多款CAE软件6,国内亦研制了几款CAE软件。它们都是用FORTRAN语言和数据管理技术开发的结构化软件。目前，CAE软件的理论和舞法U趋成熟，已成为各类领域中不可或缺的技术与工具7。CAE软件的单元库、解法库、材料库等方面都有了巨大发展，增多了界面菜单工具,增强了预处理与结果处理的能力8。因而，绝大多数CAE软件具备多种性能分析和仿真模拟能力9:线性与非线性静力分析：线性与非线性动力分析：稳态与瞬态热分析：电磁场和电流分析：流体计算：声场与波的传播计算1.3.3液压挖掘机CAE的应用16世纪的意大利人最早发明出挖掘机的雏形，用于疏导运河。1836年第一台以蒸汽机驱动的挖掘机诞生.因其体枳、重量、噪音大，使用面不广，且受限于科学技术发展獴慢，重大技术难点未能攻克，制造技术低卜等原因，导致挖掘机技术在后来长时间里未取得任何进展.我国于1954年在抚顺挖掘机厂生产了第台单斗机械式挖掘机,自力更生地研发挖掘机始于1958U0,随后开发出-系列比较成熟的产晶,如WYIO0、WY60.WY250等。到了80年代初，他国1.1.EBHERR、DEMAG、O&K等公司的先进技术纷纷被引进入我国1.1.o此后,恰逢国家的飞的历史时期,挖掘机市场需求量大,90年代初,大大小小的国内外技掘机企业如雨后春界成长迅速。至2001年年底，包括国有企业在内，我国境外液年挖掘机的企业已达到20家左右12。2001至2010年中国经济走过了辉煌的十年,挖据机企业亦得到了丰厚的利润。但是，从2010年1季度开始中国经济开始回落,进入2014年后，国内挖掘机市场已经饱和，企业面临着去库存化的巨大压力。在此环境下，各企业沉淀自己，加大研发投入，做了很多的工作，但使用CAE技术进行仿真分析的不多，而进行验证的就更少。1.4.4CAE仿真与测试测试、仿真是发现设计缺陷,并解决问题的两种方法19。随着，社会与科学的发展,在保证仿真分析结果准确与可完的前提下，愈来愈多的产品样机制造与实验可以用仿真分析取代。同样，有效成功的测试验证了仿真分析的正确性。因而，CAE技术与测试的协同成为未来的发展趋势。CAE技术的主要思想是解析具体的工程问题,建立介理的分析模型，借助分析软件进行数值模拟，获得准确的解答。以使用ANSYS分析软件为例，第一步往往是建立分析对象的有限元模型，为减少“堂量、提商网格划分质量，常常涉及到模型的简化，同时也会涉及如何施加正确边界条件的问巡，这些都将影响分析结果的正确性.因而，通过测试数据验证分析结果就显得十分关键.同时，为得到有效正确的测状数据，必须合理的规划测试过程，包括：测试环境、测试仪粉、测试工况、测试点、数据采集及处理等。测试和仿攵就像硬币的正反面，既相互独立有相互联系，CAE仿宾可以帮助规划合理的测试，包括测点的布置、工况的选择等。正确的测状结果可以验证分析模型的正确性。伴随CAE仿其技术的广泛运用，其与测试的协同也将密不可分。15本课题研究意义和目标2014年以来，中国工程机械进入行业转型提升阶段，在面临市场饱和，去库存化等多重压力的情况下，各企业加大研发力度，提高自主创新能力，力争在下一阶段经济更苏中抢占市场。因而，此时期既是挑战也是机遇,在此阶段解决产品实际运用中出现的问题，提高产品质量变得刻不容缓。挖掘机，国内一个起步较晚的行业，常因各类失效，导致竞争力不足。行业调整的时期，正是技术进步的时期,中流击水不进则退，因此提高国产挖掘机品质的首要任务是提高工作装置的可靠性。本论文主要对液压挖掘机反铲装芭进行运动学分析，针时挖掘机反铲装置的斗杆进行数学分析并得出斗杆较点的优化结果，采用ANSYS软件进行有限元分析验证，优化后的斗杆得到了实验论证并运用于生产实践中。本文通过构建液压挖掘机工作装置数学模型，并对其进行了参数化的优化设计，达到J'提高斗杆挖掘力的目的，从而为实体设计和强度校核提供J'可旅的参考数据，这对于提高设计员工作效率、降低试制试验贽、加快新产品的研制进度具有一定的实际意义。第2章液压挖掘机概述及