挖掘机动臂有限元分析与优化设计硕士学位.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流挖掘机动臂有限元分析与优化设计硕士学位.精品文档.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
2、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
3、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 mu
4、st be applied to design the 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 g
5、ives the importance and meanings 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 step
6、s using movement simulation 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 o
7、perating status and loads 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 u
8、sing Finite Element Analysis, 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 Eleme
9、nt Analysis is greatly promoted 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
10、研究工作及取 得的研究成果。尽我所知,除文中己标明引用的内容外,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:2006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。
11、本论文属于Z 不保密isT(请在以上方框内打“V”)学位论文作者签名:指导教师签名;日期:2006年i月日1 绪论文论位学士硕学大科中华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,特别是在基础设施建设中起的作
12、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,2002年销量达19710台,年增长 率约为59/。2003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8590%;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国内挖掘机的发展状况和柳工挖掘机现
13、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,1978年至1986 年期间国内液压挖掘机平均年产量为1230台,1987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:表1-1中国工程机械挖掘机逐年产量情况调查表年份1994199519961997199819992000200120022003年销量2141236322343293423859887926123971971032862增长率()10-4-5.547,428.74h232.456.460
14、59,066.7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,10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,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
15、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8590%;而国内企业的市 场占有率仅占1015%;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
16、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。文论位学士硕学大技科中华柳工从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,日本东芝阀、川崎泵、帝人行走马达、KYB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
17、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
18、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【7。1.3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
19、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
20、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、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
21、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 侧行驶,因此挖掘过的沟边坡较大。直线挖掘文论位学士硕学大技科中华当沟槽宽度与铲斗宽度相同时,可将挖掘机置于沟槽的中心线上,从正面进行直线 挖掘。挖到所要求的深度后再后退挖掘,直至挖完全部长度。利用这种挖掘方法挖掘浅 沟槽时挖掘机移动的速度较快,反之则较慢,但都
22、能很好地使沟槽底部挖得符合要求。曲线挖掘挖掘曲线沟槽时可用短的直线挖掘相继连接而成。为使沟廓有圆滑的曲线,需要将 挖掘机中心线稍微向外偏斜,同时挖掘机缓慢地向后移动。保持一定角度的挖掘保持一定角度的挖掘方法通常用于铺设管道的沟槽挖掘,多数情况下挖掘机与直线 沟槽保持一定的角度,而曲线部分很小。超深沟挖掘当需要挖掘面积很大、深度也很大的沟槽时,可采用分层挖掘方法或正、反铲双机 联合作业。沟坡挖掘挖掘沟坡时将挖掘机位于沟槽-侧,最好用可调的加长斗杆进行挖掘,这样可以使 挖出的沟坡不需要作任何修整。1.3.4.工作装置的工作原理和基本组成工作装置采用连杆机构原理,各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现。
23、液压挖掘机最普遍使用的是反铲工作装置。它由动臂、斗杆、铲斗、动臂液压缸、 斗杆液压缸、铲斗液压缸、连杆、摇 杆等组成(如图1-1)。各部件之间的 联系全部釆用铰接u】。动臂下铰点铰 接在转台上,并以动臂缸来支承,通 过动臂缸的伸缩,使动臂连同整个工 作装置绕下铰点转动。斗杆铰接于动 臂上端,斗杆与动臂的相对位置由斗 杆缸控制,当斗杆缸伸缩时,斗杆可 以绕动臂上铰点转动。铲斗与斗杆前 端铰接,通过铲斗缸伸缩使铲斗绕斗 杆前铰点转动图1-1工作装置结构图文论位学士硕学大技科中华13.S.工作装置的设计要求挖掘机工作装置的可靠性对整机性能影晌很大n3L挖掘机在工作过程中,其工作回 转中心是沿着履带行
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