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1、液压挖掘机动臂结构优化设计 【摘要】本文通过对液压挖掘机动臂结构的优化设计进行简单介绍，以实例的方式通过优化前后的动臂对比，表现出优化设计的优点。同时，对动臂液压控制方案进行详细阐述，以供参考。【关键词】液压挖掘机；动臂；结构优化设计；控制方案中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：一、前言液压挖掘机与机械钢索式电铲相比，具有整机重量轻、调速范围大、机动性和操作性好、挖掘工作的运行轨迹更优，而且在降低运营成本方面也极具优势。现有的优化设计方法,如机械产品的广义优化设计,是面向全系统、全过程和全性能的优化设计。本文对液压挖掘机
2、的动臂结构的优化设计进行介绍。二、液压挖掘机动臂结构性能优化分析7液压挖掘机的结构是由动臂、斗杆、铲斗、油缸和一组连杆机构构成，在进行工作的时候，要承受到外界的巨大载荷，而且根据不同的工况会产生不同的应力和形变。因此，其性能的好坏会对挖掘机的作业可靠性和安全性产生巨大的作用。本文将以动臂为研究对象，它主要的结构是侧板、盖板、动臂油缸、吊耳等几个部分。在建模的过程中，处于对模型简化的要求，在此省略了圆角、螺纹孔和倒角等结构所产生的影响。1、动臂强度分析挖掘机在整个作业过程当中，三组油缸的变化会有很多种工况出现，最典型的有三种：最大挖
3、掘半径、最深挖掘位置和最大作用力臂位置。不同的工况状态下，挖掘机所承受的载荷大小以及受力点和受力程度都是不同的，应力集中的部位、危险界面的所在位置也都不相同。因此，要具体工况进行具体分析。在工况三的工作装置的状态是动臂油缸全缩，这时对它施加载荷的时候，各铰点的位置都有销轴连接，难以确定载荷的大小。此时，可以用销轴传递载荷进行加载，并根据受力物体的内圆柱面作为受力面，方向沿径向。如图1所示。由图1可以看出，动臂的最大应力为18.4MPa，发生在与斗杆的连接处，在后续工作的优化过程中要着重考查这一部分的性能变化。2、动臂优化设计7对于
4、挖掘机动臂的优化方案的目的是找到一个最能够节省材料而且强度又能够达到工作要求的方案。根据相应性能的要求，通过ANSYS进行优化分析。通过分析结果，我们能够得到以下结论：动臂的宽度对应力和变形的影响程度不大，为了节约材料，可以将宽度缩小20%；动臂上销轴的直径相应增大10ｍｍ，进而满足强度要求；与斗杆相连接的耳板厚度增加5mm，以减小应力集中影响。优化完成后再次对动臂进行强度分析，得到的应力及变形云图，如图2所示。图2优化后的动臂应力图优化后的最大应力为16.1Mpa，小于优化前的数值，仍在工作安全范围内，并且应力集中现象明显减弱，
5、最大应力均布在与斗杆连接的耳板部分。可以看出，经过优化后，大大减少了动臂的材料及质量，但其危险截面的应力却相应减小，符合性能优化设计的“最优化”设计思想。三、动臂结构优化实例以WY35型液压挖掘机动臂为例,前侧板的材料为20Cr,其许用应力为[]=216MPa;其余结构的材料均为16Mn,[]=240MPa。进行动臂缸作用力臂最大工况下动臂的应力分析。取动臂上盖板厚度、动臂下盖板厚度、动臂侧板(无加强板)厚度、动臂前包板厚度、动臂侧板厚度与动臂加强板厚度之和为设计变量,变量的边界上下限范围通过多次修改进行选定。图3设计变量范围和最
6、优值7对本文的优化设计模型进行求解,经过10次迭代运算后,得到最优解,VonMises应力由116MPa应力降为101MPa,节点的最大位移由4.06mm降为2.85mm。优化结果表明,在相同工况下,液压挖掘机动臂的最大VonMises应力下降了12.9%,全局刚度提高了29.8%,有助于延长动臂的使用寿命。四、动臂液压控制方案动臂、斗杆、铲斗、开斗及行走装置的液压执行机构由四台主工作泵供油，每台主工作泵通过一组多路阀控制液压执行机构，四组多路阀中有两组为顺序单动控制，另外两组为并联与顺序单动组合控制，再通过阀外合流对液压执行机构
7、进行流量控制，可以实现四台主工作泵对执行机构分别组合供油。挖掘机工作时为了充分利用发动机功率，缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有多个机构同时进行复合动作，因此动臂举升或下降过程中，会与其他液压执行机构(动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和回转马达)同时动作，复合动作时，主工作泵流量要满足所有动作所需流量的供给。动臂参与的复合动作主要有：满斗举升回转时，挖掘结束，满斗提升回转，在提升动臂的过程中，为保持铲斗平移，需要斗杆与铲斗液压缸配合工作，同时回转液压马达使转台转向卸载位置；以7及卸载时，回转至卸载位置，转台制动，铲斗油缸开斗卸载，
8、为了调整卸载位置，需要有铲斗液压缸与斗杆液压缸的配合，必要时配以动臂动作。图4是动臂液压缸控制原理图，图4a是液压原理图，图4b是主控阀调速等效图。1.主液压泵2.溢流阀3.主控阀4,7.限压阀5,6.动臂液压缸8.背压阀(单向阀)动臂由两个相同的
