液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估

王宝刚1 马 兵1,2 孟庆贺1 陈 光1
1 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室 西安 710064 2 山西潞安安太机械有限责任公司 长治 046000

摘 要：为了分析转台疲劳强度对液压挖掘机使用寿命的影响，根据某型号液压挖掘机结构形式，利用Ansys 分析软件建立了整机有限元分析模型。工作装置中的转台、动臂、斗杆和铲斗铰接处销轴均采用非线性接触实体单元进行分析，较为真实地模拟力的传递。对偏载和侧载两种工况进行结构仿真分析，确定工作装置的应力分布，并通过对转台的静力分析和疲劳强度评估，确定危险部位，分析确定其静强度不足部位以及疲劳失效原因，为挖掘机转台结构轻量化设计提供了理论依据。

关键词：液压挖掘机；有限元分析；转台；疲劳强度评估

中图分类号：TU621 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）10-119-04

0 引言
液压挖掘机作为土方作业的主要设备之一，广泛应用于矿山采掘、隧道开挖、城市建设、交通运输等领域。由于液压挖掘机工作介质的多样性与不均匀性，导致整个机构承受着复杂的交变载荷，因此，挖掘机工作装置常因疲劳破坏而造成重大事故。目前，国内外对载荷特性对挖掘机工作装置疲劳性能影响方面的研究较少，贺雨田等基于有限元分析对大型液压挖掘机工作装
置进行疲劳强度评估[1]，张桂菊等基于Ansys 对液压挖掘机工作装置静强度进行分析[2]，杜文静等对液压挖掘机工作装置进行应力、变形和模态分析[3]，夏连明等将SolidWorks 和Ansys 相结合对挖掘机动臂进行强度、刚度和模态分析[4]，李燕等利用ABAQUS 软件对挖掘机斗杆静应力进行分析[5]，殷淑芳等基于SolidWorks 对挖掘机铲斗进行应力分析与结构优化设计[6]，武慧杰等对挖掘机工作装置疲劳强度进行评估[7]，余盛对液压挖掘机工作装置疲劳寿命进行评估[8]，苏琦对液压挖掘机动臂疲劳强度与寿命进行评估[9]。

然而，挖掘机在实际作业过程中，铲斗所受载荷特性对挖掘机工作装置的疲劳寿命有极其重要的影响。由于作业工况的复杂性, 挖掘机工作装置经常会受到偏载荷和侧载荷作用，此时工作装置各铰点的受力以及疲劳破坏部位明显不同。目前对转台疲劳强度的研究较少。转台作为挖掘机主要的焊接承载结构，其作用是安装挖掘机的各类部件，并承受其自重和挖掘机实际作业中产生的复杂载荷。转台的主要承载部分为纵梁和横梁( 不考虑回转支撑座圈)，传统的转台分析计算方法是将其化为梁系结构，但由于这种简化计算与实际情况相差较大，且属于超静定问题，需利用Ansys 软件进行分析计算。本文结合SolidWorks 与Ansys 建立转台的有限元非线性接触分析模型，对转台进行应力分析，确定危险部位，并对转台进行疲劳强度评估。

1 转台的有限元模型
依据某液压挖掘机结构尺寸参数，利用SolidWorks建立液压挖掘机工作装置的三维模型, 通过SolidWorks与Ansys 的无缝接口将三维模型导入Ansys 中, 在确保既节省计算时间又不影响计算结果的情况下，对模型做适当的修改、简化。焊接处均做连续处理，其材料与母材相同，各构件以及连接处销轴均采用Solid 186 单元模拟，液压缸采用梁单元Beam 188 模拟，除了销轴网格的划分均采用Free 自由网格划分方法。工作装置结构材料为16Mn, 弹性模量为2.06×105 MPa，泊松比为0.28。图1 是划分网格后的转台有限元模型。

图1 挖掘机转台有限元模型

2计算工况

在挖掘机实际作业过程中，整个工作装置呈现多种挖掘姿态，需注意挖掘机最危险的姿态，以免因出现工作装置部件的断裂而造成重大事故。从多种失效分析情况来看，工作装置的危险部位均发生在铲斗挖掘工况下，因此，参照GB 9141—1988《液压挖掘机结构强度试验方法》选用如下工况：动臂液压缸与铲斗液压缸均处于最大作用力臂，铲斗液压缸以最大当量作用力臂工作。该姿态下，液压缸均以最大作用力臂工作，整机理论挖掘力接近最大值。在该姿态下对整个工作装置进行强度分析，有利于找出转台的失效位置，为挖掘机结构设计提供参考。

3 转台受力分析
3.1 转台的结构
图2 为液压挖掘机转台，其整体为焊接结构，主要包括支座孔（动臂支座和动臂液压缸支座）、主梁、主板和左右两个副平台。动臂液压缸及动臂通过支座孔与转台相铰接，转台的下方加工有螺孔的环形面，其与回转支撑的上端面用螺栓联接，通过回转支承将平台与底架相连。

1. 动臂液压缸支座 2. 动臂支座 3. 主梁4. 右副平台 5. 主板 6. 左副平台
图2 转台结构图

3.2 转台的载荷形式
转台的受力主要包括：1) 自身以及底架和其他所属部件的重力G ；2) 动臂和动臂液压缸与其铰接点A 、C的作用力和力矩；3） 底架通过回转支撑施加于转台的力和力矩，该部分载荷可简化为垂向载荷、径向载荷和倾覆力矩；4） 回转制动、启动时所附加的惯性载荷。大部分液压挖掘机转台与动臂的铰接点及转台与动臂液压缸的铰接点都是双耳板结构，此外，由于侧载和偏载的作用，使得铰点两侧支座的受力并不相同。本文不考虑回转支撑的受力以及底架对转台的影响，将转台与底架整体作为研究对象，此时转台只承受重力和铰点力。转台受力如图3 所示。

图3 转台受力图

根据作用力与反作用力的关系可知，转台铰点的受力与动臂与转台铰点、动臂液压缸与转台铰点的受力大小相等、方向相反，故可以通过动臂与转台铰点的受力和动臂液压缸与转台铰点的受力来计算转台铰点的受力。

铲斗挖掘时整机的理论挖掘力是已知的，因此，根据挖掘机工作装置的运动学分析，结合工作装置的结构尺寸，将动臂、斗杆以及铲斗单独隔离出来进行受力分析。以动臂为例，其受力分析如图4 所示。

图4 动臂受力图

将图4 中B 点的受力转化为沿CB 方向的力Bu F 和垂直于CB 方向的力FB v , 对C 点建立动臂力矩平衡方程为

式中： CD y 、CD z 为CD 两点间距离在y 轴、z 轴上的投影， CF y 、CF z 为CF 两点间距离在y 轴、z 轴上的投影， C4 y 为C 点与动臂重心位置间距离在y 轴上的投影， 4 G 为动臂所受的重力。

其中铰接点D 、F 是动臂与铲斗以及动臂与铲斗液压缸的铰点，其受力可以通过对斗杆的受力分析获得，求出动臂与转台铰接点受力FC 和动臂液压缸与转台铰接点受力FA。

如考虑偏载和侧载对转台疲劳强度的影响，则根据挖掘机工作装置的结构特点，所产生的横向受力和扭矩只能由动臂与斗杆铰点、斗杆与铲斗铰点以及动臂与转台铰点承受，并不影响其他铰接点的受力结果，可利用空间矢量原理进行计算。

4 边界条件及载荷的处理
4.1 边界条件的处理
对液压挖掘机工作装置进行有限元分析时，为了较真实地模拟载荷特性对工作装置疲劳强度的影响，考虑偏载和侧载作用，并根据液压挖掘机实际工作状态以及边界条件施加原则，对回转平台处施加全约束。

4.2 载荷的施加
通过上述计算已获得转台铰点A 和铰点C 处的受力，转台自身以及底架和其他所属部件的重力G 已知，将这三个力分别以集中力的方式施加在相应位置。

5 计算结果与分析
从图5 和图6 可以看出，在偏载和侧载作用下，转台的支座孔以及主梁与左右两个副平台焊接处应力较大，且应力分布不均匀。在实际作业过程中，转台的支座孔为主要受力位置，此处会产生较大的应力集中，因此，在结构设计时应特别注意采用加强措施，以保证其强度要求。由于整个工作装置都是通过板材焊接而成，板材之间通过焊缝传递力和力矩，在复杂的交变载荷下( 偏载和侧载)，焊缝处应力分布更复杂，且应力差异较大，因此，对焊缝的质量和工艺要求较严格。

图5 转台支座孔应力分布图

图6 转台主梁应力分布图

6 疲劳强度评估
在挖掘机结构设计中引入疲劳强度评估，不仅可以保证结构设计的安全性，而且还可以节约材料以达到结构优化的目的。根据挖掘机实际应用情况，转台主梁与腹板焊接处以及主梁与主板焊接处应力较大，是容易发生破坏的位置。

选择转台最大应力为有限元计算结果最大值，最小应力则只考虑整个工作装置的重力，工作装置转台应力有限元分析结果见表1。根据应力均值、幅值与最大应力和最小应力的关系，将表1 中的数据绘制在Goodman疲劳极限图中，见图7。

图7 修正的Goodman 疲劳极限图

由图7 可知，危险点处的应力分布均在修正的Goodman 疲劳极限图范围内，转台上较容易破坏的区域点均满足疲劳强度要求。可对转台进行优化设计，减轻自重，实现轻量化设计的目的。

7 结论
1）采用实体单元、梁单元、接触单元建立了接近实际工况的液压挖掘机转台有限元分析模型；
2）在动臂液压缸与铲斗液压缸均处于最大作用力臂、铲斗液压缸以最大当量作用力臂工作的挖掘姿态下对转台整体结构进行受力分析和静强度分析；
3）利用修正的Goodman 疲劳极限图对液压挖掘机转台危险部位进行疲劳强度评估，为转台的轻量化设计提供了理论依据。

参考文献
[1] 贺雨田, 吕彭民, 牛选平. 大型液压挖掘机工作装置结构有限元分析[J]. 筑路机械与施工机械化,2016,33(1):102-105.
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[3] 杜文靖, 崔国华, 刘小光. 液压挖掘机工作装置整体集成有限元分析[J]. 农业机械学报,2007(10):20-23.
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[7] 武慧杰, 杨建伟, 张志强. 挖掘机工作装置运动和疲劳强度分析[J]. 建筑机械,2015(6):89-93.
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