大型液压挖掘机工作装置结构性能分析与轻量化研究

发布时间：2020-04-11 06:21

【摘要】：近年来,随着基础设施建设的推进,工程机械行业发展迅猛。液压挖掘机作为一种多功能机械,在水利工程、交通运输、电力工程和矿山采掘等机械施工中应用广泛,特别是在矿山采掘中,常需要重量比较大的大型挖掘机来进行作业。由于大型液压挖掘机存在油耗高、排放差等问题,在能源短缺、油价上涨的时代背景下,挖掘机节能技术得到了重点研究。工作装置是挖掘机的执行机构,负责完成各种挖掘作业,对工作装置进行轻量化研究对实现挖掘机节能具有重要意义。大型液压挖掘机在进行矿山采掘等作业时,由于其挖掘工况比较复杂,随时要面临多变的工况,所以工作装置上各个铰点的受力也更加复杂。因此在对工作装置进行轻量化设计时,必须保证作业过程的安全。针对上述问题,本文首先对工作装置的结构性能进行研究,对其强度、刚度进行校核,然后根据分析结果对工作装置进行轻量化设计,最后对轻量化设计前后的强度、刚度进行对比分析。主要研究内容如下:(1)工作装置三维模型的建立。在分析挖掘机整机与工作装置的结构组成及工作原理的基础上,参考本文研究机型的尺寸等相关参数,利用Solidworks建立7个参数的动臂参数化模型和5个参数的斗杆参数化模型,建立其他部件的简化模型,最后完成整个工作装置的装配模型。(2)工作装置各部件铰点力的计算。首先,研究液压挖掘机工作装置的运动工况,在分析常见的危险工况基础上选择铲斗挖掘、斗杆挖掘和复合挖掘三种危险工况并建立三个工况的各部件位置图作为后文的分析依据;然后,根据液压系统参数计算出各理论挖掘力并施加到对应挖掘工况上;最后,依据力矩平衡和力平衡原理计算出三个工况下各铰点的受力,为后文有限元分析和轻量化设计做准备。(3)工作装置的有限元分析。建立Solidworks与ANSYS Workbench之间的无缝连接,对工作装置中动臂、斗杆进行有限元静力学分析,根据分析得到的应力云图和位移云图分析其强度和刚度。根据分析结果得到三个工况下动臂的最大应力为239.88MPa,最大位移为14.164mm,斗杆的最大应力为178.17MPa,最大位移为4.6420mm,均小于许用应力和许用位移,强度和刚度均符合设计要求。验证了模型的正确性,证明了存在轻量化的空间。(4)工作装置的轻量化研究。根据优化理论分别建立动臂和斗杆的优化数学模型,依据响应面优化原理利用ANSYS Workbench中的响应面优化模块分别对动臂的7个板厚和斗杆的5个板厚进行尺寸优化,根据优化得到的最优解选择一组进行圆整取值,得到板厚的最优尺寸,优化后的动臂质量减少了8.1%,斗杆质量减少了7.2%。(5)轻量化前后工作装置有限元分析结果对比。根据优化得到的最优解分别在Solidworks对动臂、斗杆进行尺寸参数修改建立新的动臂和斗杆模型,对轻量化设计后的动臂、斗杆再次利用ANSYS Workbench进行有限元分析,并与原模型有限元分析结果进行对比。研究发现轻量化后的动臂和斗杆最大应力和最大位移变化不大,且强度和刚度仍符合设计要求,验证轻量化设计的正确性。根据以上研究结果,总结出一套适用于挖掘机工作装置轻量化设计的研究方法。
【图文】：

液压挖掘机

功率达3360KW[18,19]。图1-2分别为日立的EX8000(机重780t)和卡特彼勒的6120BHFS（机重1270t）。日立EX8000(机重780t) 卡特彼勒6120BHFS（机重1270t）图1-2 超大型液压挖掘机Figure1-2 Super large hydraulic excavator根据不同的形式，挖掘机分为多斗挖掘机和单斗挖掘机，也可以分为机械传动和液压传动两类，，大型液压挖掘机主要由底盘行走机构、回转支撑机构、挖掘工装机构三个部分组成[20]。根据整机质量的不同又有以下分类[21]：表1-1 液压挖掘机整机质量分类Table1-1 Quality classification of hydraulic excavator质量小于6t 6t~13t 13t~20t 大于50t机型小型机中小型机中型机大型机

液压挖掘机,反铲,基本结构

2.1.1 反铲液压挖掘机的结构组成反铲液压挖掘机主要由行走装置、回转平台和工作装置三部分组成，其具体组成如图2-1所示：图2-1 普通反铲液压挖掘机的基本结构组成Figure2-1 Basic structure composition of general backhoe hydraulic excavator
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD422.2

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