1、华中科技人学硕士学位论文 挖掘机动臂有限元分析与优化设计摘 要工作装置是液压挖掘机的重要部件，对挖掘机性能有着十分重要的影晌。国内外 工程机械企业都十分重视工作装置的设计。要使工作装置的结构件设计得到比较可靠 而又经济的结构尺寸和形状，就必须采用先进的设计手段。而借助计算机硬件和软件 技术用是实现设计优化的重要途径。本文首先分析了挖掘机的市场需求和技术现状，提出了提高挖掘机产品质量的重 要性和意义。通过挖掘机工作装置设计的分析技术介绍，针对挖掘机动臂设计存在问 题，引出了挖掘机工程分析的有关理论，阐述了运动仿真和有限元分析的方法和步骤。本文提出了运动仿真的方法，在不同工况和载荷组合下对动臂指定
2、部位进行应力 普查分析，然后根据分析结果，从中选出对结构强度影响最大的工况和载荷，作为下 一步有限元分析的工况和载荷。并根据有限元分析结果对动臂结构进行设计优化。然 后以 CLG806动臂为例，阐述了在设计过程中，如何利用有限元方法分析动臂的应力分 布、发现设计中的问题并及时解决，成功地对其动臂结构进行优化设计，从而缩短设 计、研发时间，降低设计过程中对物理样机的依赖程度，降低开发成本。并将有限元 方法推广运用到其它老产品动臂设计改进及新产品结构件设计优化中去，从而提高产 品结构件的可靠性，取得了良好的运用效果，为企业创造了良好的经济效益和社会价关 键 词 ： 挖 掘 机 动 臂 仿 真 有
3、限 元 优 化 设 计AbstractWorking equipment is the key component of the hydraulic excavator, it plays a great influence on excavators performance. And the importance of its design has raised by the domestic and abroad construction machinery enterprises. So advanced technologies must be applied to design th
4、e device which make its structure dimensions and shape be reliable and economical. And aiding by the computer hardware and software technologies is the most important way to realize the design optimization.Firstly, this thesis analyzes the market demand for excavators and gives the importance and me
5、anings on improving excavator manufacturing quality. With introduction to the analysis of excavator working devices design, the problems companying with the boom design is presented and the theory of excavator engineering analysis is discussed. And then the methods and steps using movement simulatio
6、n and finite element analysis are well elaborated.A new computer simulation method is figured out in this thesis. With the simulation, general stress on the appoint position of boom which various operating status and loads is put on are investigated, and the corresponding operating status and loads
7、will be use for Finite Element Analysis in next phrase. And then the optimization design for the structure of boom is took place according to the Finite Element Analysis9s result.The boom of CLG806 excavator is took as example. With the analysis of the stress distribution using Finite Element Analys
8、is, the problems during design phrase are found and then the boom structure is succeeded to optimize. By this application, the RD time is shortened， the cost is saved and the dependence to the prototype is reduced. With the method which optimize design using the Finite Element Analysis is greatly pr
9、omoted into the development of new products and the evolvement of the old products， the reliable of products structure is raised, and considerable economical values is gained.Keywords: Excavator Boom Simulation Finite Element Design Optimization独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中己标
10、明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期：2 006年 4 月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密,在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 _Z 不保密 isT(请在以
11、上方框内打“ V”）学 位 论 文 作 者 签 名 ： 指 导 教 师 签 名 ;日 期 ： 2006 年 i月 日文论位学士硕学大科中华1 绪 论1.1 前言近年来国家基本建设的加速发展，工程机械市场火爆，为工程机械生产商提供了发 展的机遇。挖掘机是工程机械中的一个主要机种，是土石方施工工程中的主要机械设备 之一，在国民经济建设的许多行业里被广泛采用，如在工业与民用建筑、交通运输、水 利电力工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等行业的机械化施工中。特别是 最近几年来，挖掘机是整个工程机械行业中产、销量增长最快的一个机种。随着国民经 济的高速发展，挖掘机在各种工程建设领域，特别是在基础设
12、施建设中起的作用越来越 明显，挖掘机作为一种快速、高效的施工作业机械愈来愈被人们所接受。据统计，工程 施工中约有 60%以上的土石方量是靠挖掘机来完成的，在国家基本建设中发挥着其他工 程机械产品所不能替代的作用，其国内市场迅猛增长，2 002年销量达 19710台，年增长 率约为 59/。2 003年猛增到 32862台，年增长率约为 66%。但是，其中，国外合资企业的 市场占有率在 859 0%;而国内企业的市场占有率仅占 1015%。市场占有率如此之大的 合资企业及外资企业，给国内挖掘机企业带来了严峻的挑战。如何提高国内企业挖掘机 的市场占有率，成为当今国内所有挖掘机企业的首要任务。1.2
13、 国内挖掘机的发展状况和柳工挖掘机现状从 20世纪 60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和 品种增加很快，产量猛增。早在七十年代末期，中国开始研究挖掘机，1 978年至 1986 年期间国内液压挖掘机平均年产量为 1230台，1 987年至 1993年期间国内挖掘机平均 年产量为 2000台，从 1994年开始逐年的产量提高见下表 1-1:从表 1-1可以看出：中国的挖掘机年产量 1996年开始进入一个较快的发展时期， 年增长由小于 10%跨越为大于 20%; 2000年以后又实现了一个新的跨越，即由原来的 年增长小于 40%,实现了年增长大于 50%;在统计数据中看
14、，1 0年的时间翻了近四番。 国内挖掘机市场的迅猛增长，与我国的西部开发战略，如西气东送，南水北调工程，表 1-1 中国工程机械挖掘机逐年产量情况调查表年份 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003年销量 2141 2363 2234 3293 4238 5988 7926 12397 19710 32862增长率（ ) 10-4 -5.5 47,4 28.7 4h2 32.4 56.4 60 59,0 66.72文论位学士硕学大技科中华高速公路的快速建设等国家重点建设项目息息相关 而年产量的提高，又与国外著名 工程机械公司纷纷在中国创
15、建合资企业密切相关, 这些著名的企业有：徐州卡特（美国）、 成都神钢（日本) 、常州现代（韩国）、合肥日立（日本) 、小松山推（日本)、烟台斗山 (韩国）；国内生产的公司有：柳工、黄工、三一重工、宣工、临工、玉柴、山河智能 及南特为代表的国内企业但国外合资企业的市场占有率在 859 0%;而国内企业的市 场占有率仅占 101 5%;国内企业为什么市场占有率如此之低，不能在挖掘机的市场竞 争中与合资或独资企业相提并论，究其原因国内企业大部分进入这个彳宁业的时间较晚， 起点也较低，技术研发能力与国外有一定的差距 4】 ；多数是在生产装载机技术的基础上 来生产挖掘机的，导致技术落后，与合资企业的差距
16、较大，具体表现在产品的可靠性方 面，特别是工作装置结构件的可靠性方面，如动臂的断裂、斗杆的断裂、铲斗的开裂等 成为制约国产企业提高知名度和市场占有率的最大障碍。因此，解决挖掘机结构件的可 靠性，成为提高国产挖掘机设计制造水平的首要问题。柳工从 1992年生产第一台挖掘，至今已有十余年的历史，尽管挖掘机市场从最初 的几百台增加到现在的几万台，但柳工的产销量却一直没有突破 1000台，究其原因是 产品的可靠性低，用户的认可度低。近年来，柳工高层意识到，面对强大的国际竞争对手，柳工必须以全新的观念来对 待挖掘机。零部件不但寻求专业配套，而且从单一国内配套转向国际协作的设计思想上 来。康明斯发动机，日
17、本东芝阀、川崎泵、帝人行走马达、K YB的液压油缸等高品质配 套，都使产品的性能及可靠性均有大幅度的提高。但是，自制结构件的质量及可靠性不高却严重制约了整机水平的提高。尤其以工作 装置结构件表现得最为突出，与先进的配套件形成极大的反差，严重地影响了柳工产品 的市场形象及柳工品牌的建设，同时也大大增加了产品的售后服务的成本。究其原因主要是挖掘机技术研发能力较低，设计技术水平落后，设计主要采取类 比试凑等传统方法。这种低水平的设计方法存在着很多问题，其中最主要的是工作装 置结构件强度等方面的问题。因为类比试凑法在一定程度上存在盲目性，容易形成 设计中的“ 人为” 应力集中点，造成机构整体强度的削弱
18、甚至破坏。按这种设计生产出 的产品，外观上看上去很强壮，刚性很好，但却存在潜在或内在的设计缺陷 5】 ，使用过 程中常因工作装置结构强度等原因产生幵裂，甚至断裂，致使整个构件报废，造成重大 经济损失。随着国际化的步伐越来越快和国外配套市场的开放，给国内挖掘机提供了前所未有 的机遇，柳工高层也意识到柳工要在竞争中处于有利地位，就必须不断地开发新产品， 以最快速度占领市场来满足客户的需要。传统的设计方法和设计体制很难适应现代化生 产的需要，企业必须利用各种计算机设计软件和分析软件来提高产品设计能力 【6】 ，缩短 产品研制周期，提髙产品性能，改造传统产业 ，提高企业的技术创新能力和技术实力华 中
19、科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文3【7 。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文41.3 挖掘机工作特点和工作装置设计要求1.3.1. 单斗液压挖掘机的特点单斗液压挖掘机是装有一只铲斗并采用液压传动进行挖掘作业的机械它是目前挖 掘机中重要的机种 8。单斗液压挖掘机的作业过程是以铲斗（一般装有斗齿）的切削刃切削土壤并装入斗 内，斗装满后提升，回转至卸土位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到挖掘面进行 下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械移动一段距离，以便继续作业。因此单斗液 压挖掘机是一种周期作业的自行式土方机械 9。每一作业循环包括挖掘、回转、卸料和 返回等四个过程。挖掘时先将
20、铲斗向前伸出，动臂带着铲斗落在工作面上，然后铲斗向 着挖掘机方向拉转，铲斗在工作面上挖出一条弧形挖掘带并装满土壤。随后将铲斗连同 动臂 一起升起，上部转台带动铲斗总成及动臂回转到卸土处。将铲斗向前推出，使斗口 朝下进行卸土。卸土后将动臂及铲斗回转并下放至工作面，准备下一循环的挖掘作业 u1.3.2. 单斗液压挖掘机的基本组成单斗液压挖掘机为实现周期性作业的要求，设有下列基本组成部分：工作装置、回 转装置、动力装置、传动操纵机构，行走装置和辅助设备等。挖掘机的基本性能决定于 各组成部分的构造、性能及其综合的效果。1.3.3. 常见挖掘作业方式反铲挖掘机的基本作业方式有沟端挖掘、沟侧挖掘、直线挖掘
21、、曲线挖掘、保持一 定角度挖掘、超深沟挖掘和沟坡挖掘等 1()。沟端挖掘挖掘机从沟槽的一端开始挖掘，然后沿沟槽的中心线倒退挖掘，自卸车停在沟槽一 侧，挖掘机动臂及铲斗回转 40。- 45即可卸料。如果沟宽为挖掘机最大回转半径的两倍时, 自卸车只能停在挖掘机的侧面，动臂及铲斗要回转 90。方可卸料。若挖掘的沟槽较宽，可 分段挖掘，待挖掘到尽头时调头挖掘毗邻邦的一段。分段开挖的每段挖掘宽度不宜过大, 以自卸车能在沟槽一侧行驶为原则，这样可减少作业循环的时间，提高作业效率。沟侧挖掘沟侧挖掘与沟端挖掘不同的是，自卸车停在沟槽端部，挖掘机停在沟槽一侧，动臂 及铲斗回转小于 90可卸料。沟侧挖掘的作业循环时间短、效率高，但挖掘机始终沿沟 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文5侧行驶，因此挖掘过的沟边坡较大。直线挖掘
