基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆设计

1、本科生毕业设计（论文）本科生毕业设计（论文） 题 目：基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆设计 姓 名： 学 号： 系 别： 专 业： 年 级： 指导教师： 年 月 日 独创性声明独创性声明 本毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。文中引用他人研究 成果的部分已在标注中说明；其他同志对本设计（论文）的启发和贡献均已 在谢辞中体现；其它内容及成果为本人独立完成。特此声明。 论文作者签名： 日期： 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解 xxxxx 有关保留、使用学位论文的规定，即：学院有权保 留送交论文的印刷本、复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅；学院可 以公布论文的全

2、部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手 段保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆设计基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆设计 摘要摘要 挖掘机械是以开挖土方、石方为主要用途的一种通用机械设备，是建设中使用最广泛的重要工程 机械，通常运用于矿山开采、水利水电施工、工业与民用建筑、交通运输工程、机场建设、油田建设、 港口建设、农田土壤改良、林业工程，国防建设等工程中，对节省人力、减轻体力劳动、保证工程质 量、缩短工期、降低工程造价和提高劳动生产率具有非常重要的作用。 液压挖掘机是一种重要的工程机械。它采用液压泵

3、、液压缸和液压马达等液压动力元件驱动执行 机构进行作业，具有功率密度大、结构紧凑、传动平稳、控制灵活、操作简便、工作可靠等特点，在 提高工效、降低劳动强度、缩短建设周期等方面效果显著，在各类施工机械中呈现出强大优势，因而 在世界各国得到了普遍的应用和快速的发展。 液压挖掘机应用非常之广，使用量也十分大，是机械工程市场不可或缺的一部分，液压挖掘机模 仿人体结构，大臂，小臂和手腕， “扭曲”可以旋转和行走，它有着较长的臂杆，做六个自由度的运动， 每个工作单元可安装在立体作业。挖掘机是类似于人类的“基因”已成为人类建设的主要合作伙伴， 也被称为民用机器人，是机器人的代表建筑。由于液压挖掘机的多功能性

4、，操作范围宽广，所以被认 为是一种多功能的工程机械。 关键词关键词：液压挖掘机，斗杆，动臂。 Hydraulic excavator mining conditions strengthen the bucket rod design based on Abstract Mining machinery is in excavation of earthwork and stonework for the main purpose of a kind of general machinery equipment, is used in the construction of the most

5、widely important engineering machinery, is usually used in mining, water conservancy and hydropower construction, industrial and civil construction, transportation engineering, airport construction, oil construction, port construction, farmland soil improvement and forestry engineering, national def

6、ense construction and other projects, to save manpower, reduce manual labor, guarantee engineering quality, shorten the construction period, reduce the engineering cost and improve labor productivity plays a very important role. Hydraulic excavator is a kind of important engineering machinery. It us

7、es hydraulic pump, hydraulic cylinder, hydraulic motors, etc. hydraulic power component actuator operation, has the characteristics of power density, compact structure, stable transmission, flexible control, convenient operation, and reliable work, etc., to improve the working efficiency, reduces th

8、e labor intensity, shortening construction period and other aspects of the effect is significant, in all kinds of construction machinery and showing a strong advantage and in the world has been widespread application and rapid development. Application of hydraulic excavator is very wide, use amount

9、is very large, is a part of construction machinery market is indispensable, hydraulic excavator imitate human body structure, big arm, small arm and wrist, twisted can be rotated and walking, it has a long arm, six degrees of freedom of motion, each work unit can be installed in the three-dimensiona

10、l operations. Excavator is similar to human gene has become the main partner of the construction of human, also known as a domestic robot, the robot on behalf of the building. Due to the versatility of the hydraulic excavator, operating a wide range, so it is considered as a multi- functional engine

11、ering machinery. Key Words: hydraulic excavator，bucket rod ，swing arm。 目目 录录 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题研究背景 .1 1.1.1 挖掘机的发展历程 .1 1.1.2 挖掘机的特点 .1 1.1.3 挖掘机的发展前景和趋势 .2 1.1.4 斗杆的结构 .4 1.2 课题研究意义 .5 1.3 研究内容 .5 1.4 论文构成 .5 第 2 章 基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆的设计 .6 2.1 斗杆受力计算 .6 2.2 斗杆强化校核 .7 2.3 斗杆箱体的设计计算 .9 2.4 支承座的设计计算 .1

12、1 第 3 章 基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆的有限元分析 .16 3.1 有限元分析的意义 .16 3.2 强化斗杆设计的有限元分析 .17 第 4 章 基于矿山工况液压挖掘机强化斗杆的结构优化设计 .20 4.1 优化设计的简介 .20 4.2 焊接结构件设计的优化 .20 4.2.1 对接焊缝 .20 4.2.2 搭接焊缝 .21 4.2.3 减小焊缝残余应力 .22 4.3 钢板结构件断面截形的优化选择 .22 结论 .25 参考文献 .26 谢辞 .27 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 课题研究背景课题研究背景 .1 挖掘机的发展历程挖掘机的发展历程 （

13、1）挖掘机的定义 国际标准 IOS6155 和 IOS7135 按机种和类型对液压挖掘机的定义是：“液压挖掘机是 在履带式、轮式或步履式下车底盘上装有工作装置并能进行 360旋转的上车机构，由液 压系统控制主机和工作装置，采用铲斗进行挖掘作业或物料搬运，在一个工作循环中不需 要移动下车的自行式机械” 。 我国的国家标准 GB6572.1 对液压挖掘机的定义是：“通过液压传动使转台在 360 内任意回转，并由液压传动使动臂、斗杆以及铲斗动作，实现物料的挖掘、提升、回转和 卸料，在机器本身的任何一种作业循环里，无须移动机体的一种自行式机械” 。 由以上定义可知液压挖掘机有以下主要特征。 1）液压挖

14、掘机式一种自行式机械。 2）液压挖掘机由主机（挖掘机本身机体）和装于上车机体上的工作装置所组成。 3）安装有工作装置的上车机构可做 360旋转运动。 4）液压挖掘机由液压系统控制工作装置进行作业。 5）在挖掘提升回转卸料的任何一种工作循环中，下车不需要移动。 应该注意，以上定义并没有兼顾到工作装置左右回转角为 180的半回转式液压挖掘 机。 .2 挖掘机的特点挖掘机的特点 液压挖掘机是通过发动机直接驱动或经分动箱带动液压泵，经液压油管和控制阀组、 液压缸或液压马达等组成的液压系统来驱动各执行元件（包括工作装置、回转装置、行走 装置等） ，实现挖掘机的各种动作的。机械式挖掘机则是

15、通过发动机带动齿轮、链条、钢 丝绳等传动元件来实现挖掘机的各种动作的。因此，与机械式挖掘机相比，液压挖掘机具 有很大的优越性，具体如下。 1）结构简单、布置紧凑，质量小。高压化的液压传动系统和元件比沉重烦琐的机械 传动系统和元件体积小、数量少、质量小，易于在回转平台上合理布置，简化了挖掘机的 结构布局，减少了机械损件，使整机质量得到大幅减小。 2）挖掘力大，生产效率高，液压挖掘机靠液压缸的推力来挖掘土壤，机械式挖掘机 靠钢丝绳牵引提升铲斗进行挖掘。在同样的机重情况下，液压挖掘机的挖掘力比机械式挖 掘机的挖掘力约高一倍以上。 3）行走速度快，接地比压低，牵引力大，爬坡能力强，机动灵活性好。液压挖

16、掘机 行走装置是靠液压马达驱动的，行走牵引力与机重的比值大大高于机械式挖掘机，其越野 性能好，具有较好的爬坡能力。 4）采用高压变量的液压系统，传递简单，性能优越，工作平稳，易于操纵和控制。 液压传动可实现无极变速，调速范围大；通过液压油传递动力和各种阀门进行控制，使挖 掘机频繁作业的动作平稳，安全可靠。 5）采用液压先导伺服操纵和各种自动监控系统，使司机操作轻便、灵活和准确，并 且易于了解和掌握各机构的工作状况。 6）可一机多用。一台液压挖掘机可以换装多种工作装置，如反铲、正铲、抓斗、起 重设备、液压剪、液压锤等作业装置，动臂和斗杆可以加长或缩短。履带可以加长和加宽， 使挖掘机能适应各种工作

17、场合的要求。 7）易于实现标准化、通用化、系列化，便于组织专业化生产，以提高生产效益，降 低生产成本。 8）液压挖掘机的铲斗具有良好的运动轨迹，通过液压缸的复合动作可以使铲斗平行 向前推移，也可以使铲斗按曲线或圆弧轨迹进行挖掘，而机械式挖掘机只能依靠钢丝绳提 升铲斗进行挖掘。 液压挖掘机的不足之处是：液压元件的加工精度和装配质量要求很高，在施工现场排 除故障和进行维修比较困难；液压油的品质、粘度和清洁度对系统的传动效率和液压元件 的寿命有很大的影响；液压油的粘度受工作环境温度影响较大，需要根据不同季节更换液 压油；元件连接处密封若不好会发生漏油，高压油泄漏会污染机体和环境，其突然要喷发 甚至会

18、对人造成伤害。 .3 挖掘机的发展前景和趋势挖掘机的发展前景和趋势 20 世纪 70 年代初期，我国进入全面研制减压挖掘机阶段，相继开发出 1.0m（上海 建筑机械厂，后文简称“上建” ） 、0.6m（定量和变量、轮胎式和履带式，贵阳矿山机器 厂，后文简称“贵矿” ） 、0.4m（北京建筑机械厂，后文简称“北建” ）液压挖掘机和 0.2m液压挖掘机装载机（北建）等，有 6 种级别共 10 个型号。其中上建的 1.0m液压挖 掘机、贵矿的 0.6m轮胎式液压挖掘机、北建的 0.4m液压挖掘机和 0.2m挖掘装载机， 由于采用定量液压系统，元器件在国内能够配套，在 1975 年前后

19、产品基本定型和投入批 量生产。与此同时开发和定型批量生产的有合肥矿山机器厂（后文简称“合矿” ）0.6m的 液压挖掘机、长江挖掘机厂（后文简称“长挖” ）1.6m的液压挖掘机、杭州重型机器厂 （后文简称“杭重” ）的 2.5m液压挖掘机等，开始采用变量液压系统。一些老产品也经 过了技术改进和更新。 1981-1983 年间，新开发的产品有贵矿定量型 0.6m履带式挖掘机、北建 0.1m小型 挖掘机、长挖 0.25m轮胎式挖掘机、上建 0.15m小型挖掘机、抚顺挖掘机厂（后文简称 “抚挖” ）变量型 1.0m挖掘机等。到 1983，形成系列并正式生产的中小型液压挖掘机有 斗容量 0.12.5md

20、 10 个级别近三十个型号。到 1987 年前后，我国液压挖掘机的年平均 产量为 700800 台，占挖掘机年产总产量的 55%以上。当时在我国产量较大、应用较多的 国产液压挖掘机有：上建的 WY100（1.0m） 、贵矿的 WLY40(0.4m)和 WLY60（0.6m） 、合 矿的 WY160(1.6m)、抚挖的 WY100B(1.0m),以及北建的 WZ2C 挖装载机（挖斗容量为 0.2m，装载斗容量为 0.7m） 。天津工程机械研究所、浙江大学、太原重机学院等单位， 开展了液压挖掘机的整体性能和零部件的试验研究、工作装置优化设计、结构强度的有限 元计算、智能化监控和操纵系统等科研工作。

21、 虽然我国的液压挖掘机技术有进步，然而液压挖掘机的主要配套件如柴油机、液压件 等国内尚不能提供，有些关键配套件甚至由主机厂自行研制，但是技术水平、生产工艺、 产品产量和质量、使用可靠性等还存在诸多问题，与外国相比有很大的差距。 为了加快外国液压挖掘机技术的发展，提高液压挖掘机的水平，从 20 世纪 80 年代初 期开始，外国从柴油机、液压件、减速机开始，进一步到整机全面引进的液压挖掘机技术 （技术图纸和生产制造技术） 。引进德国 LIEBHERR 公司技术的企业有上建（R942） 、贵矿 （R912 和轮式 A912） 、合矿（R922 和轮式 A922） 、长挖（R962、R972 和 R9

22、82） 。北建引进 德国 O&K 公司的 RH6 和轮式 MH6 挖掘机技术。 20 世纪 80 至 90 年代我国的经济蓬勃发展，各种工程（如长江三峡、小浪底水电站、 铁路和高速公路、市政工程、房屋建筑等）相继开工，受工期限制，急需大量高质量的工 程机械，尤其是挖掘机。我国的挖掘机产业却受到技术不足、资金短缺，特别是国产化配 套件的质量不过关，各企业面临体制改革等因素制约。在这种情况下，20 世纪 90 年代初 我国每年从国外进口的挖掘机和二手挖掘机就有 1 万2 万台。这一现象也受到国外挖掘 机生产厂家的关注，它们纷纷来到中国来寻求商机。1995 年前后我国液压挖掘机步入合 资（或外商独资

23、）办厂的新阶段，开辟了挖掘机发展的新纪元。到 1997 年，主要中外合 资或外商独资挖掘机企业有：成都工程机械厂与日本神户制钢合资的成立的成都神钢建设 机械有限公司，合肥矿山机器厂与日本日立建机合资成立的合肥日立挖掘机有限公司（现 为“日立建机（中国）有限公司” ） 。 在 21 世纪的前 10 年，国内挖掘机制造企业的数量猛增至 6070 家，各公司齐头并进 生产各种类型的液压挖掘机，其中主要生产厂约有 40 余家。挖掘机的产销售年年翻番。 一些新企业在三五年间产销售急增至数千台。2003-2005 年，每年的挖掘机销售为 35000 台左右，其重要的原因是小型液压挖掘机遍地开花、快速发展、

24、其销售占挖掘机总销售量 的 20%25%。外企在我国研制的新产品频出，如新一代带有 GPS 定位系统和监控系统的小 松 PC8 型液压挖掘机，斗山公司的 DH500LC、合肥日立建机的 ZX850、ZX1200 等；一些国 内企业自主创新，研发出自己的高质量、高性能的环保型挖掘机。 根据对国内 40 多余家主要生产企业的统计，2008 年我国共生产液压挖掘机 87650 台， 销售 82765 台（其中 6t 以下的小型挖掘机占 20%以上） ；据海关统计，2008 年国内进口挖 掘机械 34387 台，出口 8653 台。2009 年，国内生产液压挖掘机约 10 万多台，销售液压 挖掘机 9

25、5012 台，进口挖掘机械 23613 台（价值约 15 亿美元） ，出口 3527 台。2010 年我 国液压挖掘机年销售量猛增至 16.5 万台，同比增长 24.5%。我国液压挖掘机产业达到了 蓬勃发展的高峰期。在 21 世纪第二个 10 年，液压挖掘机将面临新一轮的发展，机种的更 新，科技含量更高，产品高性能、高质量、低能耗、更环保，也液压挖掘机的生产企业将 面临优胜劣汰及重组和改造，市场竞争更为激烈。 .4 斗杆的结构斗杆的结构 斗杆在液压挖掘机作业中是运动较频繁,运动幅度较大的构件。因此,要求质量较小且 又有足够的强度。斗杆主要受挖掘力形成的 xoz 平面的弯矩,回转

26、启制动或侧向挖掘力形 成在 xoy 平面内的弯矩和横截面上的轴向力和剪切力,故斗杆一般采用箱型断面的变高直 梁结构。按截面截形，斗杆分为工字箱型和 H 箱型两类。以最常用的工字箱型断面斗杆一 例，这种断面结构能较好适应在 xoz 平面弯矩较大的受力工况，故已成为当今应用最广的 一种主要的结构形式。若再以 H 箱型断面的斗杆示例，这种截面形式斗杆的侧板可包含铲 斗缸耳板的外形一道下料，减少一些焊接工作量，并可承受较大的侧向弯矩。但两侧板的 上下边缘在上下板之外，处于拉压最高应力区，这是这种结构的隐患。 斗杆的结构参数主要包括斗长，各铰点的位置和转角等。 在工字箱型断面斗杆中，根部铰点插入动臂叉形

27、开口中的断面受力最大，因此为箱型 断面的最高处，根铰结构也采用带扇形法兰盘的锻件与钢管组焊成较厚实的封闭管形体， 并加焊辐射状的肋板与上板铲斗缸根铰处相连。法兰保证与侧板的焊缝有足够的周长，这 些都使根部有较高的结构强度，以传递上下两端的力矩。斗杆缸铲斗缸铰耳板都采用和缓 的曲线与后板，上板焊接。在后板，下板与根铰锻件焊接处也采用不等高加强角焊缝。在 其他各处的焊接细节与动臂结构类同。在作业时，斗杆下板前端常受物料的冲击磨损，故 加焊条形加强肋。在 H 箱型断面的斗杆结构中，各铰点处采用铸钢件结构。这种结构简化 了焊接工序，减少了备料工序，而且其最重要的特点是在受力较大，较复杂的各铰点处， 根

28、据力流的大小和方向，自由设计铸件的断面尺寸和形状，较好地保证斗杆的整体强度。 但经使用发现，这种铸焊结构由于铸件的铸造缺陷影响其预计的效果。 某小型液压挖掘机斗杆，上板和侧板采用整块钢板压成槽形，再与下板焊成工字形断 面。液压缸铰点处耳板用同一钢板与斗杆上端焊接再用连接板相连，通往前端的 4 根软管 可以从间隙中穿过，防护性好。 经过对斗杆的结构分析，确定其组成关系和组成零部件，挖掘机工作装置构成了斗杆、 动臂、铲斗的根节点，斗杆作为个中间节点，组成斗杆的零部件如斗杆箱体、支座 Q、支 座 N、支座 F、支座 G、支座 E 构成了斗杆的下一级节点，侧板、盖板、弯板、加强板等 作为叶节点构成了斗

29、杆箱体。 斗杆箱由六个结构点控制，如果确定了这六个点，就可以大致确定斗杆箱体的外形， 因此选择这些点的坐标作为斗杆节点参数的一部分，其中 H 点和 B 点的坐标与支座 Q 外径 和位置有关，不作为独立的参数。 斗杆的支承座有五个，它们主要是为了使斗杆的结构更加的牢固稳定。由于斗杆长度 较长，运动起来作用力容易分散，因此各支承座变起到集中应力的效果，是斗杆的受力不 易分散，提高效率。 1.21.2 课题研究意义课题研究意义 如今的社会人们生活越来越好,国民经济也跟着不断的加强，在许多工程建设方面上, 尤其是基础建设方面上,液压挖掘机起到的作用日益增强。更多的人开始认识液压挖掘机， 它的发展和液压

30、技术两者相辅相成,共同促进。所以我们必须要大力发展挖掘机液压系统, 为以后的生活发展打下坚实的基础。 1）对于这次的毕业设计,通过不懈的解决问题,使我的能力有了进一步的提高,无论是 以前知道是知识,还是如今才了解到的学问,都是一次深刻的巩固和认识； 2）通过自己独立的查找研究,让我了解了许多技术规范,也翻阅了许多相关的书籍,对 此进行设计计算,使我的独立处理问题能力加强了不少,也大大的增强了自信心,给自己些 许自豪感； 3）对于设计方面的认识有了更加不同的理解,初步明白了本专业遇到问题要从哪个方 向入手,不再像以前一样迷茫,让自己觉得更像一位设计工程师。 1.31.3 研究内容研究内容 （1）

31、总体介绍和确定挖掘机工作装置的初始参数； （2）对基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆进行设计计算； （3）对基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆进行有限元分析； （4）对基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆的一些零部件进行优化分析； 1.41.4 论文构成论文构成 本文的主要工作是基于对挖掘机综合装置的斗杆设计。斗杆有整体式和组合式两种， 大多数的挖掘机采用整体式斗杆。当调整斗杆的长度或杠杆率比的斗杆需要调节，可以采 用更换斗杆或设置 2 到 4 的可以选择调整在斗杆的孔的一端铰接动臂。在本设计中，由于 没有需要调整斗杆的长度，所以采用整体式斗杆。 第第 2 2 章章 基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆的

32、基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆的 设计设计 2.12.1 斗杆受力计算斗杆受力计算 由于工作装置是多连杆机构,各构件在不同的相对位置状态下,受力情况也不同,所以 在计算某构件时,首先应找出其最不利的位置作为计算位置。这种位置当前可借助于电算 资料来选择,可能选出多种特征位置和设定工况，再分别算出结果,并进行比较。但对结构 设计中的校核可简化设定一种位置和工况采用近似计算,这样比较方便省时,实践证明有较 好的实用价值。 图 2-1 斗杆计算位置 斗杆最大受力产生于铲斗挖掘工况,计算位置和设定工况确定如下。 （1） 动臂位于动臂缸作用力臂最大位置。 （2） 斗杆缸作用力臂最大。 （3） 斗杆根铰

33、 P2，端铰 P5，斗刃尖成直线。 （4） 不计偏载，不计侧向挖掘阻力 Fwk，但切向挖掘阻力 Fw1以最大铲斗挖掘阻力计算， 以作补偿。 计算方法步骤如下。 步骤步骤 1 1 根据上述设定工况（4） ，取切向挖掘阻力 Fw1为最大铲斗挖掘阻力值。 步骤步骤 2 2 取法向挖掘阻力 Fw20.2Fw1。 步骤步骤 3 3 必要时（例如超长臂）校核动臂缸的闭锁能力允许的切向和法向挖掘阻力。 步骤步骤 4 4 作斗杆图及局部坐标系 xoz，求斗杆上点 P5的受力大小与方向。取铲斗作为 脱离体，首先列出铲斗外力（包括斗重）对点 P5的力矩平衡方程，可求出点 P11处受连杆 的外力 Fp11（力的方向

34、沿连杆指向铲斗） 。 在列出铲斗外力对点 P11的力矩平衡方程和力平衡方程，可解出铲斗铰点 P5力的大小 和方向。 斗杆点 P5的受力 Fp5与铲斗铰点 P5力的大小相等，方向相反。 步骤步骤 5 5 斗杆点 P5外力。取摇臂为脱离体，视连杆，摇臂和铲斗缸均为二力杆，列出 力平衡方程，可解出沿摇臂指向斗杆点 P5的推力 Fp8和铲斗缸对点 P9推力 FP9. 步骤步骤 6 6 斗杆点 P7外力。点 P7受铲斗缸推力与 Fp9大小相等，方向相反。 步骤步骤 7 7 斗杆点 P6外力。即 Fp6 = 8 32321 ll ( L MMF WWW ） 式中；MW2和 MW3一一斗杆总成和铲斗总成自重

35、对点 P2的重力矩。 同样也须校核斗杆液压缸缩进闭锁力，如不够，应取较小值。 步骤步骤 8 8 斗杆铰轴点 P2受力。已有 FP5，FP8，FP7，FP6，可取斗杆为脱离体，列出力平 衡方程式（也可作力多边行图） ，求出 FP2的大小和方向。 步骤步骤 9 9 至此已明确斗杆各处所受外力。据此可进行斗杆各断面的强度验算，各铰点 轴销套验算和各耳板的焊缝验算。 步骤步骤 1010 对于斗宽 b 大于 3 倍斗杆宽度和清沟斗，为使计算更精确可靠，可设定 FW1 和 FW2为作用于边齿的偏载，且有侧向挖掘力 FWK作用，使斗杆 yz 平面内受侧向弯矩和 z 轴向扭矩。 2.22.2 斗杆强化校核斗杆

36、强化校核 液压挖掘机在作业时由于作业对象的不同，操作情况的差别，所以荷载有很大的变化， 斗杆经常承受着相当大的冲击和振动荷载，荷载谱很难描述。即使采用有限元法等较精确 的方法也难以得出可信的结果。目前一般仍沿用传统的按静荷载分析和许用应力方法校核 强度，即 max= n S 式中：max一一危险点上的最大合成应力（MPa） ； 一一许用应力(MPa)； S一一钢材屈服强度（MPa） ； n 一一安全系数。 以图 2-1 的斗杆为例，强度校核的方法和步骤如下。 步骤步骤 1 1 将斗杆所受的各外力沿轴向 z 和垂直方向 x 分解为 Fiz和 Fir. 步骤步骤 2 2 作斗杆截面的力和力矩图 力

37、矩：M=Fixli（下板受拉为正，受压为负） 。 轴向力：N=Fiz（受拉为正，受压为负） 。 剪切力：Q=Fix。 步骤步骤 3 3 确定计算截面，对于斗杆，可选择受力和力矩较大，截面突变，截面较弱， 焊缝有应力集中的三四处截面分别计算，例如 I 一 I，II 一 II，III 一 III 等截面。 步骤步骤 4 4 计算 II 一 II 截面的截面积 AII和抗弯截面模量 WII。 步骤步骤 5 5 计算 II 一 II 截面的弯矩，轴向力和剪切力。 弯矩：MII=（FP5）Xl5-（FP8）Xl8 轴向力：NII=（FP5）Z+(FP8) 剪切力：QII=（FP5）X-(FP8)X 步骤

38、步骤 6 6 计算 II 一 II 截面上危险点的最大合成应力。 图 2-2 斗杆 II 一 II 截面的应力分布 斗杆在 xoz 平面内受弯矩 MII，II 一 II 截面的应力按直线分布，如图 2-2 所示，下 板下缘受最大弯应力（b） ，上板上缘受最小弯应力（-b） 。 b= II II W M 在轴向力 NII的作用下，II 一 II 截面受均匀分布的拉应力 1为 1= II II A N 在下板的下缘，弯拉合应力为 min= II II II II A N W M 在剪切力 Q 的作用下，截面 II 一 II 受切应力，根据材料力学可知，剪切力的分布按抛物 线规律，中轴处有最大值，而

39、此处弯应力恰恰为零，故一般其切应力不计入合成应力之内。 但在侧板与下板的焊接处截面积有突变，侧板也可能出现较大的剪切应力，其值为 = II J2 QS 式中：S 一一下板截面积对中性轴的静面矩； 一一侧板厚度； JII一一 II 一 II 截面对中性轴的惯性矩。 在侧板与下板的焊接处，受弯，拉和剪切的合成应力可按第 4 强度理论计算，即 侧板下缘的弯应力为 b= h h II II W M 侧板下缘的拉应力为 1=1= II II A N 2.32.3 斗杆箱体的设计计算斗杆箱体的设计计算 1.保证斗杆液压缸产生足够的斗齿挖掘力。 2.保证斗杆液压缸有必要的闭锁能力。 3.保证斗杆的摆角范围

40、95- 125。 D-斗杆油缸的下铰点；E-铲斗油缸的上铰点；F-动臂的上铰点；2-斗杆的摆角； l9-斗杆油缸的最大作用力臂. 图 2-3 斗杆机构基本参数计算简图 首先计算斗杆挖掘阻力：斗杆挖掘过程中，切削行程较长，切土壤厚度在挖掘过程中为常 数，一般取斗杆在挖掘过程中总转角 g =50-80,取 g =60，在这转角过程中， 铲斗被装满，这时斗齿的实际行程为： S=0.01745R2g 式中 R2-斗杆挖掘时的切削半径，R2= l2 + l3=1685+965=2650mm 斗杆挖掘时的切土厚度 hg 可按下式计算： hg=q/0.01745 R2gB=1/0.01745*2.65*60

41、*(1+2.6*1)=0.1m 斗杆挖掘阻力： W1g=k0hgB=Cq/0.01745 R2gBKs C-挖掘比阻力，选 k0=31 斗杆 l2与铲斗 l3垂直时 R2最小 W1gmax=31*1*104/0.01745*1.685*60*1.25=N=PGmax 取整个斗杆为研究对象，可得斗杆油缸最大作用力臂的表达式： e2max = l9 = PGmax （l2 + l3 ）/ P2 = （1685+965）10-3/27(85)210-6 = 460mm 如图 2-3 所示图中，D：斗杆油缸的下铰点；E：铲斗油缸的上铰点；F 动臂的上铰点； 2：斗杆的摆角；l8：斗杆油缸的最大作用力臂

42、。斗杆油缸的初始位置力臂 e20与最大 力臂 e2max 有以下关系: e20/e2max = l9COS(2max/2)/l9 = COS (2max/2) 2max越大,则 e20越小,即平均挖掘阻力越小。要得到较大的平均挖掘力,就要尽量减少 2max,初取 2max = 90 由上图的几何关系有: L2min =2l9Sin (2max/2)/(2-1) = 2460Sin 45/(1.6 -1) = 1084 mm L2max = L2min + 2l9Sin (2max/2) = 1084 + 2460Sin45 = 1734mm l82 = L22min + l29 + 2L2mi

43、nl9COS(-2max)/2 = 10842+ 4602 +21084460COS135 l8 = 585mm 而EFQ 取决于结构因素和工作范围,一般在 130170之间.初定EFQ=150,动臂上 DFZ 也是结构尺寸,按结构因素分析,可初选DFZ=10 2.42.4 支承座的设计计算支承座的设计计算 在该工况下存在的力有：工作装置各部件所受到的重力 Gi；作用在铲斗上的挖掘阻 力，包括切向阻力 W1、法向阻力 W2、侧向阻力 W3。 NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点； B-动臂与动臂油缸铰点； F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点； E-斗杆下铰点；G-铲斗油

44、缸下铰点； Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖 图 2-4 斗杆的工作装置简图 HK-连杆； HN-摇臂 N-摇臂与斗杆的铰接点；Q-斗杆与铲斗的铰接点 图 2-5 铲斗受力分析简图 当斗杆油缸全缩时，通过前面的章节可以得出 21 = 45，由图 2-5 可知 CF 的向量可以 表示为： FC = 3118COS（180-45）+Sin（180-45） = 3118（COS135+Sin135） 由测绘计算结果知：ZFC = 26.3，并初选 DF = 1525mm。 在DEF 中DEF = 90 COSEFD = EF/DF = 460/1525 解得EFD = 72 在CDEF

45、 中 EFC = ZFC+DFZ+EFD 26.3+10+72 = 108.3 EFQ 已经初定为 150 由以上的角度关系知： FV = 2650COS（134-108.3-150）+Sin（134-108.3-150） = 2650（COS122.5+Sin122.5） OV = OC + CF + FV = 1026（COS87+Sin87）+3118（COS-45+Sin-45）+ 2650（COS-122+Sin-122） 则 XV= 1026COS87 + 3118COS（-45） + 2650COS（-122） = 854 mm 则可得此时铲斗的理论挖掘力： （105- W1）0

46、.961-77000.274 = 0 W1 = 105 N 法向阻力 W2 的求解： 工作装置所受重力对 C 点取矩有 MC（Gi）= G1X1 +（G2+G5）X2 + G3X3+G40.7XF+ G6X2 = 0.321041.974+（170+28）103.068+17001.863+ 5000.73.863+3203.068 = 0.18105 N W1到 C 点的距离 r0 r0 = l2 + l3CFCOSCFV =1685+961-9118COS（360-108.3-150） = 3282mm W2到 C 点的距离 r1 r1 = CFSinCFV= 3118Sin103.5 =

47、 3031mm 法向阻力 W2 决定于动臂油缸的闭锁力 F1，取整个工作装置为研究对象，则有 MC = 0 F1 e1+ MC（Gi ）- W1 r0 - W2 r1 = 0 解之 W2= 0.32105 N 斗杆有油缸作用力 P2g的求解： FQ向量在 X 轴上的模值： XFN =| FQ COS-122| = 16850.53 = 893mm 如图 2-5 所示，取斗杆（带斗和连杆机构）为研究对象，则有： MC = 0 P2gEF- W1（l2+l3）- G3（XFN +r2）- G2XFN /2 = 0 P2g0.581-1652.61-7.7103（1.59+0.274）-1.7103

48、10.59/2=0 F0D =F D i = 2.981050.336=1.0105 N 切向阻力 W1： 初选该工况下铲斗重心到铰点 Q 的水平距离 r2= l3 COS（-122）/2=255mm 取铲斗为研究对象，如图 2-5 所示，并对 Q 点取矩，则有 MQ = 0 （F0D- W1）l3 G3 r2 = 0 P2g= 4.74105 N 而此时的斗杆闭锁力 P2= 27（85）2= 6.13105 N，略大于 P2g，说明闭锁力 足够。 横向挖掘阻力 WK 的求解： 横向挖掘力 WK 由回转机构的制动器所承受，即 WK 的最大值决定于回转平台的制动力矩。 故要先计算出制动力矩。 地

49、面附着力矩 M：M = 5000G4/3 （其中 = 0.5） = 50000.519.64/3 = 1.32105 N 在所设计的液压挖掘机中采用的是液压制动，由经验公式可求得回转机构的最大制动力矩 MB： MB= 0.6M=0.79105 N WK = MB / XV = 0.79105/1.432 = 0.55105 N Q 点作用力与作用力矩 RQx 、RQy、MQx、MQy的求解： 取连杆机构为研究对象，如图 2-6 所示，则有： NH-摇臂 HK-连杆 G3-铲斗油缸的推力 RK连杆的作用力 RN摇臂的作用力 图 2-6 连杆机构计算简图 X2 = 0 P3COSGHX2-RNCO

50、SHNX2-RkCOSHKX2 = 0 2.98105COS4.5-RNCOS57.5-RkCOS11.5 = 0 Y2 = 0 P3SinGHX2-RNSinHNX2-RkSinHKX2= 0 2.98105Sin4.5-RNSin57.5-RkSin11.5 = 0 解得：RN = -0.51105 N； Rk = 3.3105 N 如图 2-6 所示，取整个铲斗为研究对象，以 V 点为新坐标的原点，VK为 X3轴，过 V 点与 VK垂直的直线为 Y3，建立 X3O3Y3坐标，则有： X3 = 0 W2 -RQx -Rk COS11.5= 0 0.32105-RQx3.3105 COS11

51、.5 = 0 RQx = -2.91105N Y3 = 0 RQy +W1- Rk Sin11.5= 0 RQy+105 - 3.3105Sin11.5= 0 RQy = -0.34105 N MQY3 = 0 MQy -WKl3- W2b/2= 0 MQy -0.551051.55-0.321050.52= 0 MQy= 105 Nm MQX3 = 0 MQxW1b/2= 0 MQx = W1b/2=0.53105 Nm N 点作用力与作用力矩 RNx 、RNy的求解： 取曲柄和连杆为研究对象，如图 2-7 所示，则有： H-摇臂 HK-连杆 F3-铲斗油缸的推力；RK连杆的作用力；RX摇臂

52、的作用力沿； HK连线上的分力；RY摇臂的作用力沿 HK 连线垂直方向上的分力 图 2-7 曲杆和连杆受力 X2 = 0 RNX + Rk COS11.5- F3 = 0 RNX = 0.27105 N RNy = RNX tanFNH = 0.27105tan57.5=0.43105 N 第第 3 3 章章 基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆的有限元分析基于矿山工况的液压挖掘机强化斗杆的有限元分析 3.13.1 有限元分析的意义有限元分析的意义 有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利 用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量

53、的真 实系统。如今计算机建模功能开始广泛应用，而发展起来的计算机辅助设计（CAD）便局 限于建模功能，若要突破现状更进一步的去发展，对于设计本身的构思，怎样着手设计的 方面，是计算机辅助设计发展方向的主要目标。在设计的过程当中，如果设计的方案框架 已成形，通过优化设计输入某些参数以此来判断这个设计方案是否符合我们的要求，这种 方式可以让设计提高发到另一种层面。有限元分析便可以达成这方面的需求，它将若干个 元件划分为几个有限单元，这几个有限单元通过几个有限节点连接，每个节点之间存在着 力，建立起各个单元之间的关系，再把元件的约束，受力情况等条件输入进去，运用计算 机对元件个方面进行分析计算，于是

54、便得出计算结果，显示出物体形变后的应力图，供我 们去分析判断。将某个工程结构离散为由各种连接单元组成的计算模型，这一步称作单元 部分，离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来。单元节点的设置、性质数目 等应视问题的性质，描述变形形态要根据需要和计算精度而定（一般情况，单元划分越细 则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大） 。所以有限元法中分析的结 构已不是原有的物体或结构物，而是同样的材料由众多单元以一定方式连接成的离散物体。 这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理， 则所获得的结果就与实际情况相符。 由于有限元分析对设计的重要性不断的

55、增加，有越来越多的有限元程序开发出来，如 MSC.NASTRAN，ANSYS，MARC， I-DEAS， ADINA 等。每种有限元程序都有他各自的优点， 适用的范围需要看用户的需求，当今计算机制图软件不断的发展。 使用软件对设计模型进行运动仿真和有限元分析，能够模拟在真实环境工作状况并对 其进行分析和研究，尽早发现设计中的缺陷，并验证产品功能和性能的可靠性，提前进行 修改和优化，从而减小制造中发现问题而付出昂贵的代价，提高设计的可靠性和缩短周期。 主要表现在以下几个方面： （1）采用运动/动力学的理论和方法，通过 CAD 绘制出实体模型并设计出会运动的机 构，对整体机构进行运动/动力学仿真，

56、分析出如位置、速度、加速度、作用力等具有重 要的决定机构性能等设计参数的物理数据。 （2）采用工程数值分析中的有限元技术，分析、计算产品机构的应力、变形等物理 参数，分析物理量在空间和时间上的分布和变化规律，完成机构的线性、非线性、静力、 动力的计算分析。 (3)在满足设计要求的前提下，采用过程优化设计方法，对产品的机构、设计参数、 结构形状等参数进行优化设计，使产品结构性能达到最佳状态。 （4）采用结构强度与寿命评估的理论、方法、规范，评估结构的安全性、可靠性和 使用寿命。 本章节通过利用 NX Nastran 的高级分析功能进行关键零件的有限元分析，并且对关 键零件的结构尺寸进行优化。 3

57、.23.2 强化斗杆设计的有限元分析强化斗杆设计的有限元分析 3-1 应力总体分布图 最大应力在支承座 E 上,对其进行分析,最大应力为 153MPa,复合强度设计要求。 3-2 应力局部分布图 3-3 主应力总体分布图 分析斗杆主应力，最大应力为 119MPa，复合强度设计要求。 3-4 剪切应力总体分布图 对斗杆切应力进行分析，最大应力为 87.4MPa，复合强度要求。 3-5 总体变形图 第第 4 4 章章 基于矿山工况液压挖掘机强化斗杆的结构优化设计基于矿山工况液压挖掘机强化斗杆的结构优化设计 4.14.1 优化设计的简介优化设计的简介 优化设计的历史可以分为人类智能优化、数学规划优化

58、、工程优化、人工智能优化和 工程广义优化五个阶段。 第一阶段人类智能优化。与人类史同步，直接凭借人类的百觉或逻辑思维，如黄金分 割法、穷举法和瞎子爬山法等。 第二阶段数学规划方法优化。从三百多年前牛顿发明微积分算起，电予计算机的出现 推动数学规划方法在近五十年来得到迅速发展。 第三阶段工程优化。近二十余年来，计算机技术的发展给解决复杂工程优化问题提供 了新的可能，非数学领域专家开发了一些工程优化方法，能解决不少传统数学规划方法不 能胜任的工程优化问题。在处理多目标工程优化问题中，基于经验和直觉的方法得到了更 多应用。优化过程和方法学研究，尤其是建模策略研究引起重视，开辟了提高工程优化效 率的新

59、途径。 第四阶段人工智能优化。近十余年来，采用专家系统技术实现寻优策略的自动选择和 优化过程的自动控制，智能寻优策略迅速发展。 第五阶段广义优化设计。广义优化设计是考虑设计对象更多的特性而产生的，它集中 于解决设计对象的全系统、全性能、全过程优化建模和求解规划。 机械产品的优化设计，大致可分为结构参数优化、形状优化和拓扑优化。 结构参数优化是在结构方案、零部件结构形状和材料等已定的情况下，通过寻找最佳的参 数得到好的设计方案。 形状优化是在结构类型、材料和布局已定条件下，对结构几何形状进行优化，包括二 维和三维的形状优化及与形状有关的参数优化，这是优化设计的深化。 拓扑优化是对结构中的构件布局

60、和节点的联结关系进行优化，即在外部设计要求下首先要 从结构方案、类型布局等方面去寻优，这是更高层次的优化，也是更富有创新的概念设计。 4.24.2焊接结构件设计的优化焊接结构件设计的优化 .1 对接焊缝对接焊缝 图 4-1 对接焊缝的工作应力分布 对接焊缝在受拉力 F 的作用下，焊缝沿受力方向和板厚方向的应力分布如图所示，应 力集中系数取决于焊缝宽 C、余高 h 和焊趾处 角度和圆角半径 r。h 越大、 越大、r 越 小，应力集中系数 KT越大，故在对接焊缝中要限制 h 和 值，避免锐角凹坑。例如回转 平台的纵梁上翼板与中前部平台立板对接后要求打磨削平余高，履带架底面长条板与端