挖掘机平台有限元分析及回转液压系统仿真的研究

金璐 王曾赟

摘要：本文利用有限元法研究了挖掘机平台结构和回转液压仿真系统，并提出了相应的优化策略。

关键词：挖掘机平台；有限元；回转液压系统

近几年来，随着我国技术的不断发展，液压挖掘机得到了突飞猛进式的发展。而由于社会与市场的发展，对于液压挖掘机的需求量增多，人们对于液压挖掘机的性能要求也有所提升。这就使得对于挖掘机的结构和功能进行研究与改进成了相关技术人员的重要工作。有限元法是一种能够分析挖掘機结构强度的方式，相比于传统的研究方法更加简单、耗时也相对较短。同时，回转液压系统式挖掘机的重要结构系统，对其进行研究和改进也有着重要的意义。

1 挖掘机平台有限元分析

1.1 挖掘机平台有限元的模型建立

利用三维软件建立起挖掘机平台的三维模型，然后将其倒入有限元分析的软件系统中。挖掘机平台的整体结构较为复杂，所以需要技术人员对于其结构中包含的小倒角、小圆孔等等细微的结构进行掌握，保证其在挖掘机平台模型的建立时不被忽略。

挖掘机平台主要是用于承受上部的挖掘机重量以及挖掘机运行时的挖掘力，在结构上要求其具有较高的稳定性、足够的强度等等。在建立挖掘机平台的三维模型时，可以根据实际的情况，在不影响结果输出的情况下对于力学建模进行简化。例如，在建立模型时，对于焊接的影响进行忽略，在实际的建模中对于焊缝进行定义连接接触。

1.2 平台上的荷载分析

挖掘机平台在运行的时候主要承受着来自两个方向的力，依据挖掘机平台在运行时的两种不同状态，对于其荷载进行分析。

第一，最大挖掘半径及深度的工况分析。在这一条件下，挖掘机的铲斗液压缸会发挥出最大的挖掘力。在这一条件下，挖掘机的重心与动臂绞点的水平距离为2.095m，重心到斗杆与动臂的交点之间的距离为0.232m。在这一条件下，铲斗油缸的最大压力为26.5MPa，大腔直径为0.09m，小腔直径为0055m，抗压时油缸最大的力为168586N。斗杆油缸的最大压力为26.5MPa，大腔直径为0.09m，小腔直径为0.055m，抗拉是油缸最大的力为105626N，抗压时油缸最大的力为168586N。动臂油缸最大压力为26.5MPa，大腔直径为0.115m，小腔直径为0.065m，抗拉是油缸最大的力为187317N，抗压时油缸最大的力为275252N。

第二，挖掘机前倾失稳的工况分析。在这一情况下，重心到斗杆与动臂交点的距离为0.116m，重心到动臂绞点的距离为2.547m，铲斗油缸的作用力臂为0.256m，遥杆的作用力臂为0.349m，斗杆油缸的作用力臂为0.484m。经过计算，能够得出此时铲斗油缸所产生的最大挖掘力为25485N，斗杆油缸承受的最大挖掘阻力为79516N，动臂油缸承受的最大挖掘阻力为57123N。[1]

1.3 结果的分析

依照上述的平台荷载分析中得出的数据，能够计算出在工况一的条件下，应力最大达到了908.8MPa，已经超过了屈服强度的极限值，所以需要对挖掘机平台的结构强度进行有效的提升。根据有限元计算，挖掘机平台的圆角半径难以达到需要的150mm以上。在工况二的条件下，各处的应力最大值已经超过了阈值，所以对于挖掘机平台结构进行改进是十分必要的。

1.4 挖掘机平台结构的改进

通过上述的分析结果中能够了解到，挖掘机平台结构的强度还需要提升，各处承受的重力最大值还需要得到提升。可以将挖掘机平台结构进行有效的调整，改变其传统的应力分布，实现应力最大值的有效降低。同时，要结合提升挖掘机平台结构的强度，才能够实现挖掘机平台结构的最优化。可以在挖掘机平台的左右立板处添加加强板，使加强板维持在2022mm，并将耳板的厚度提升至25mm以上，实现对于挖掘机平台结构的强度提升的目的。

2 回转液压系统模型仿真分析

2.1 回转液压系统仿真模型的建立

依据挖掘机回转液压系统的工作原理，在三维软件上建立起回转液压系统的仿真模型。与建立挖掘机平台的三维模型相同，回转液压系统仿真模型的建立也要对一些结构进行简化处理。例如，柱塞泵是挖掘机回转液压系统中的一个元件，但是对其控制的方式与结果的输出的影响较小，可以选择使用某一统一的控制方式，诸如连续信号控制排量的方式，进行系统模型的建立。多路阀的控制方式对于挖掘机回转液压系统仿真模型的最终结果输出影响也较低，可以随意选择一种控制方式应用于回转液压系统的仿真分析中。

2.2 回转液压系统仿真结果的分析

经过分析，得出回转液压系统仿真模型的压力峰值为194MPa，最大压力波动为11.1MPa。而试验的马达进出口压力的峰值在19.1MPa，最大压力波动为11.1MPa。[2]不同转动惯量下，压力也会随之改变，经过数据分析能够得出，在制动的过程中，转动惯量越大，回转液压系统的压力波动就越小。

2.3 回转液压系统的优化与改进

由于回转液压系统制动的过程中，压力波动会随着转动惯量而改变，所以想要实现回转液压系统的优化，就要针对这一问题进行改进。可以通过并联阻尼口的方式来实现压力的稳定。阻尼口的安装工艺简单，成本也相对较低，是一种性价比较高的回转液压系统的优化方式。阻尼口的并联能够使得马达的开关随着进口压力的改变而改变，在弹簧室的压力油推动着提升阀向右侧移动时，阻尼口就会被封闭，这样就使得压力油全部进入回转马达中。而当回转马达停止运行时，提升阀则会向左侧移动，使得压力油在B口产生压力。利用回转装置，能够保证在这一状态下两个油口的流量保持平衡，有效避免了逆回转的产生。

3 总结

综上所述，挖掘机平台有限元分析及回转液压系统仿真研究对于了解挖掘机结构强度，提升其性能有着重要的作用。本文利用有限元法分析了挖掘机平台结构以及回转液压仿真模型，并根据其结构弱点提出了加大平台强度、并联阻尼口的优化策略，为相关工作人员提供参考。

参考文献：

[1]张洋，张东杰，张聪聪，郑华，孟启星.液压挖掘机回转平台有限元分析[J].建筑机械，2014（05）：8184.

[2]陆军坊.挖掘机平台有限元分析及回转液压系统仿真[D].西南交通大学，2008.

作者简介：金璐（1982），女，辽宁葫芦岛人，助教，教师，研究方向：机械工程。