液压挖掘机动臂有限元分析研究
口冯显松 口杨为 口魏攀科 口段成财
重庆大学机械传动国家重点实验室重庆４ｏ００４４
摘要：以某液压挖掘机为研究对象，对其工作装置进行受力分析。使用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件对其动臂进行三维建模，
运用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件创建动臂的有限元模型，在危险工况下，使用ＡＮＳＹＳ软件对其进行静强度分析，得出动臂的应力和
变形云图．从而为挖掘机的设计提供参考。
关键词：液压挖掘机动臂有限元分析
中图分类号：ＴＵ６２１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—４９９８（２０１１）０７－００３５—０３
挖掘机是一种重要的现代工程机械．广泛应用于
道路、水利、采矿以及建筑等工程中，在国民经济与国
家建设中起着十分重要的作用 由于产品更新换代的
速度加快，缩短新产品的研发周期变得非常重要。对挖
掘机工作装置进行有限元分析．提高研发效率．正符合
这样的发展趋势［１］－ｌ３］ 本文对某液压挖掘机的工作装置进行受力分析．
使用三维建模软件Ｐｒ０，Ｅｎｇｉｎｅｅｒ建立动臂的三维实体
模型．应用网格划分软件Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ创建有限元模型．
在危险工况下．使用ＡＮＳＹＳ软件的静力分析模块对其
进行静强度分析．得出应力和变形较大的地方．为设计
部门进一步优化设计提供参考
１ 工作装置简化模型的受力分析
挖掘机有两种挖掘方式．一种是铲斗油缸主动挖掘．
另一种是斗杆油缸主动挖掘．两种方式的受力分析方法
相似．这里主要介绍铲斗油缸挖掘时的受力情况［４］。
参照图１．利用数学及理论力学的解析方法推导
出挖掘机的最大理论切向挖掘力 由各种闭锁条件所
得出的切向挖掘力分别如下
１）由动臂油缸闭锁力决定的切向挖掘力 ，受
动臂重量Ｇ 、斗杆重量Ｇ：、铲斗重量Ｇ。、动臂油缸受力
、及对Ａ点的各力臂ＺＡｌ、 、１Ａ３、ｅ。、ｒ。影响，得：
收稿日期：２０１１年１月
机械制造４９卷第５６３期 ｌ＝（Ｇ１ＺＡ１＋Ｇ￣ｌｍ＋Ｇ３ＺＡ３＋Ｆ，ｅ１）／ｒｌ （１）
２）由斗杆油缸闭锁力决定的切向挖掘力 ，受
Ｇ：、Ｇ３、斗杆油缸受力 、及对Ｂ点的各力臂 、 、ｅ：、
ｒ２影响，得：
Ｆｒ２＝（Ｇ２ｆＢ２． Ｇ 盯 Ｆ＝ｅ２）／ｒ２ （２） ３）铲斗油缸主动挖掘时的切向挖掘力 ，受铲
斗油缸的主动推力 、Ｇ，、及对Ｃ点的力臂ｅ，、Ｚ ｒ３影
响．得：
＝（Ｇｒｌｃ３＋Ｆ３ｅ３）／ｒ３ （３） ４）整机稳定性所限制的切向挖掘力．当挖掘机有
前倾趋势时的切向挖掘力 ，受Ｇ 、Ｇ：、Ｇ，、机体重量
Ｇ 、及对整机前支撑点的各力臂ｆｌ。、ｌＩ２ 、 、ｒ４影响，
得：
＝（Ｇ１ＺＩ１＋Ｇ ＋Ｇ３ＺＩ３＋Ｇ Ｉ４）／ｒ４ （４）
当挖掘机有后倾趋势时的切向挖掘力 ，受Ｇ 、
Ｇ２、Ｇ３、Ｇ 、及对整机后支撑点的各力臂 、ＩＴ２ 、ｆＴ４、ｒ５
影响。得：
＝（Ｇ１ １＋Ｇ２ ＋Ｇ３ ＋Ｇ ４）／ｒ５ （５）
５）整机行走所限制的切向挖掘力 ，受整机重
量、行走部分与地面附着系数 、切向挖掘力与水平方
向的夹角 影响．得：
＝（Ｇ１＋Ｇ２＋Ｇ３＋Ｇ４）￣ＬｔＪＣＯＳＯｔ （６） 综合上述各种因素．取６个力中的最小值作为最
大理论切向挖掘力 ，即：
Ｆ￣＝ｍｉｎ｛ 。， ， ， ， ， ｝ （７）
２动臂的有限元分析
２．１建立实体模型 设计对象实体模型的建立是非常重要的．它保证
了有限元模型的准确性和可靠性 鉴于Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ
强大快捷的建模功能．本文选用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件建
立动臂的三维几何模型．为了方便有限元分析．使结果
更可靠，可忽略小结构的几何体，如：细微的倒角、斜
２０１１／７ 面、／Ｊ，￣Ｌ、焊接上的限位板等。
２．２创建有限元模型
动臂的上、下盖板，左、右侧板是由钢板组成的，最
大厚度是１９ ｍｍ．长宽方向的最小尺寸大于３００ ｍｍ．
则它们的厚度小于最小尺寸的五分之一．根据有限元 理论．将这些部件抽取为薄壳．再进行有限元模型划
分．其它部件采用三维实体单元进行划分＿５＿。
壳单元选用Ｓｈｅｌｌｌ８１单元．实体单元选用Ｓｏｌｉｄ４５
单元．壳单元与实体单元通过点对点耦合．利用网格划
分软件Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ进行上述操作 图２为动臂的有限
元模型．共有１２７ ６０８个单元．１３２ ７４５个节点。
动臂的材料选用Ｑ２３５，参数见表１。
表１工作装置的材料类型及参数
材料 弹性模量Ｅ／ＧＰａ ｌ 泊松比 ｌ 密度／（１・ｍ Ｑ２３５ ２１０ １ ０．３ ｌ ７．８５
２．３选取计算工况
液压挖掘机的各种工况是由动臂油缸、斗杆油缸、
铲斗油缸的不同伸缩状态组合而成．需要确定危险工
况．进行精确的强度校核．才能使产品设计具有实际意
义 动臂的危险工况根据动臂可能出现最大弯矩的位
置来确定，即动臂、斗杆油缸作用力臂最大，铲斗发挥
最大挖掘力的位置
２．４确定边界条件
为了消除总刚度矩阵的奇异性．必须消除动臂模型
的刚体位移。可对某些节点加以约束。其约束条件为：所
加约束刚好消除全部刚体自由位移．或把约束改为刚度
足够大的边界元。作为校核载荷平衡的补充办法＿６］ 对
动臂与底座铰接处的 、Ｕ Ｕ 、ＲＯＴｘ、ＲＯＴｙ施加约
束，对动臂与斗杆铰接处的 、 施加约束。液压缸的
作用力视为外载荷．重力场通过施加一个和重力加速
度方向相反大小相等的加速度来实现
在ＡＮＳＹＳ中使用接触法模拟销轴连接．即在销轴
中心建立一个Ｐｉｌ０ｔ点与销轴孑Ｌ内侧的节点建立接触
单元．如图３所示。
３计算结果分析
使用上述有限元模型．在危险工况下．运用
Ｉ国２０１１／７ ＡＮＳＹＳ软件进行分析计算．然后在ＡＮＳＹＳ软件后处
理模块中查看动臂的应力和变形云图，见图４、图５。
结果显示．动臂的最大应力为２０９．１ ＭＰａ。应力大
小基本满足设计要求．动臂的最大位移为４．５１３ ｍｍ
说明部件的变形在允许的范围内
４结束语
通过对某液压挖掘机动臂进行有限元强度和刚度
分析．结果表明．应力较大的地方主要是动臂与底座铰
接处区域和动臂与斗杆油缸相连接轴套附近区域：变
形集中出现在动臂与斗杆铰接端 以上有限元分析结
果为产品设计提供了有价值的参考．同时分析过程也
为其它工程机械的设计分析提供了切实可行的方法和
手段
机械制造４９卷第５６３期 基于ＡＤＡＭＳ的特氟龙输送带链传动多边形效应分析
口许雷 口丁武学
南京理工大学机械工程技术学院南京２１００９４
摘要：基于特氟龙输送带及其链传动的工作特点。进行了链传动的结构设计和链节链轮的选型。建立了链传动的
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ数字化模型，进行了多边形效应的理论分析。最后将简化的ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ模型导入ＡＤＡＭＳ中，经添加运动副和
运动等得到动力学仿真模型。分析了多边形效应的仿真结果。该仿真结果有助于链传动优化设计。
关键词：链传动 多边形效应ＡＤＡＭＳ动力学分析链板中心
中图分类号：＇１７－Ｉ１３２．３ １；ＴＨ１３２．４５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２０１１）０７—００３７—０４
汽车内饰件包括车内顶篷和车内地毯．其生产流
水线如图１所示．其中输送轨道部分采用特氟龙带形
式．车内顶篷和车内地毯所用材料为ＧＦＰ板或麻毡
板。尺寸：２ ６５０ ｒａｍ￣１ ７００ ｍｍ（长×宽），自重９００－
Ｉ ４００ ｇ或Ｉ ５００～ｌ ９００ ｇ．传送器最大传送行程７ ２００
ｍｉｌｌ，传送速度范围：３００～６００ ｍｍ／ｓ，保证传送器稳定速
度５００ ｍｍ／ｓ。特氟龙传动要求动力稳定。传送功率大，
载荷适应性强。并能适用于高温工作环境。
该生产线高速送料系统采用链传动．为特氟龙传
送带传送动力。由于链传动固有的多边形效应．会使链
条和链轮产生冲击。发生振动和速度的周期性变化．并
产生噪声，这都会影响链传动。并给正常生产造成很大
的影响。
为研究特氟龙传送带２１２作时链传动的多边形效
收稿日期：２０１０年ｌＯ月 应，确定其影响因子，本文针对链轮与链条啮合机制，
采用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋ８软件进行建模和运动仿真．可直观反
映链条的运动过程．最后导入ＡＤＡＭＳ进行动力学仿
真．仿真结果可用于特氟龙传送带用链传动的优化设
计。
１ 多边形效应
如图２所示．链条与链轮接触时不能完整切合链
轮节圆轨迹。
从几何角度看，链轮半径定为 ，链条与链轮配合
转过单链节角度 后，理论位移为：
Ｓ ＝ＲＯ （１） 实际上链轮的转动是由圆周运动与弦运动［－］相互
参考文献
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（编辑 丁 罡）
２０１１／７