大型挖掘機銷軸力傳感器結構有限元仿真分析*

梁艷彬，萬一品，周宇杰，劉 旋，賈 潔

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

大型挖掘機在環境惡劣、作業狀況復雜時對關鍵部件的可靠性要求較高[1-2]。銷軸受力始終受到業內學者的廣泛關注，郭承志等設計了一種用于工程機械銷軸載荷譜測試的簡便銷軸傳感器，并對銷軸傳感器進行了標定試驗[3]。姜萬錄等設計了用于間接測量挖掘阻力的銷軸傳感器[4]。萬一品等提出了采用兩種載荷制取方法進行多種作業工況下的載荷驗證和鐵礦粉物料下的載荷測試試驗[5]。由此可見，大型挖掘機銷軸力傳感器的結構是否合理、強度是否滿足作業需求是測試鏟斗和斗桿連接處受力大小所需考慮的重點。

但是大多數學者未提及對于銷軸力傳感器前期結構合理性的分析，所以筆者著重進行三種典型工況下銷軸力傳感器的仿真分析，通過前期仿真分析說明其結構是否合理、強度是否滿足作業需求。

銷軸力傳感器安裝在大型挖掘機斗桿和鏟斗連接處，銷軸力傳感器分左、右兩個，目的是為了在測量出正載和側載的基礎上能直觀地反應出偏載的變化。為了增加抗彎能力，方便連接線的安裝以及減重，將銷軸傳感器設計成一個中空結構。根據挖掘機斗桿和鏟斗連接處原銷軸結構推算，結合實際工程設計中挖掘機結構設計經驗，獲得銷軸力傳感器結構尺寸。在SolidWorks中建立銷軸力傳感器結構模型，如圖1所示。

圖1 銷軸力傳感器三維模型

選擇挖掘機三種典型工況進行靜力學分析，計算出挖掘阻力大小以及銷軸力傳感器受到的載荷大小。

(1) 典型工況1

啟動挖掘機，收縮動臂油缸達到其極限高度，此時動臂重心處于其最低位置，斗桿油缸產生最大力臂，動臂和斗桿的連接點O2、鏟斗齒尖點L、鏟斗和斗桿的連接點O3三點處于一條直線O2LO3上，如圖2所示。此工況下，最大挖掘力主要受限于動臂油缸閉鎖能力。

圖2 典型工況1下整機最大挖掘力分析 圖3 典型工況2下整機最大挖掘力分析

在挖掘機動臂油缸處于閉鎖狀態時，動臂油缸的抗拉能力和其有桿腔閉鎖壓力F1成一定的線性關系。令挖掘機工作裝置為隔離體，對動臂上一點O1列力矩平衡方程，求解典型工況1下最大挖掘阻力FW1，如式(1)所示：

(1)

式中：RO1W1表示挖掘機動臂油缸對O1點產生的力臂大??；
RO1Gi表示重心Gi與O1點的水平距離。

(2) 典型工況2

啟動挖掘機，首先收縮挖掘機動臂油缸，使動臂油缸的重心處于最低位置。其次拉伸挖掘機斗桿油缸和鏟斗油缸，使動臂和斗桿的連接點O2、斗桿和鏟斗的連接點O3的連線O2O3與平面XOZ垂直，如圖3所示。此工況下，最大挖掘力主要受限于斗桿油缸閉鎖能力。

在挖掘機斗桿油缸處于閉鎖狀態時，斗桿油缸的抗壓能力與其無桿腔的閉鎖壓力F2有一定的線性關系。令挖掘機斗桿、鏟斗、連桿和搖臂為隔離體，對動臂和斗桿的連接點O2列力矩平衡方程，根據平衡方程解出斗桿油缸閉鎖時的最大挖掘阻力FW2，如式(2)所示：

(2)

式中：RO2W2表示挖掘機動臂油缸對O2點產生的力臂大??；
RO2Gi表示重心Gi與O2點的水平距離。

(3) 典型工況3

啟動挖掘機，保持機身穩定，動臂油缸和斗桿油缸同時作用，使兩油缸的作用力臂均處于最大位置，伸縮挖掘機鏟斗油缸使鏟斗處于最大挖掘力位置，如圖4所示。此工況下，最大挖掘力受限于挖掘機鏟斗能發揮的主動能力。

圖4 典型工況3下整機最大挖掘力分析

在挖掘機鏟斗能力發揮主動能力時，若不考慮鏟斗、鏟斗中剩余物料以及其他部件自重的影響，挖掘機鏟斗的理論挖掘力FW3′計算公式如式(3)所示，但實際挖掘作業時，這些因素確實存在，所以實際挖掘阻力與其有較大偏差。如果考慮這些因素，把鏟斗和連桿作為隔離體，對斗桿和鏟斗的連接點O3列力矩平衡方程，根據平衡方程解出實際工況3下的最大挖掘阻力FW3，如式(4)所示：

(3)

(4)

式中：n是鏟斗連桿機構總傳動比；
r1、r2、r3、r4分別表示鏟斗油缸對鉸點H產生的力臂、連桿IK對鉸點H和鉸點O3產生的力臂、鏟斗挖掘力FW3′對鉸點O3作用力臂；
RO3G3、RO3G7、RO3G8分別表示鏟斗整體(包括鏟斗中的物料和其他部件)、搖臂、連桿的重心與鏟斗和斗桿的連接點O3的水平距離。

對以上三種典型工況進行簡單分析可知，每種工況下最大挖掘阻力是不一樣的。挖掘機作業對象不同時，對計算出的最大挖掘阻力影響也是不一樣的。但是在一定誤差范圍內，均可認為以上最大挖掘阻力計算公式是可以被采納的?，F在單獨取鏟斗作為隔離體，對鏟斗進行系列受力分析，如圖5所示。對X，Y方向上分別取力平衡方程有：

圖5 挖掘機鏟斗受力分析

(5)

銷軸傳感器徑向方向上最大受力FO3：

(6)

根據挖掘機整機重量及尺寸等參數求各載荷大小，如表1。銷軸力傳感器材料為Q345，彈性模量206 GPa，泊松比0.3。

表1 不同工況斗桿和鏟斗鉸接點作用力大小 /kN

使用有限元分析軟件Workbench對銷軸力傳感器進行0.1 mm的自由網格劃分，銷軸力傳感器主體結構的有限元網絡模型如圖6所示，共有76 679個節點，51 818個單元。由應力云圖可以得到三種工況下銷軸力傳感器的應力分布狀況，如表2所列。

圖6 銷軸力傳感器網格劃分結果

表2 三種典型工況下銷軸力傳感器應力狀況表

在銷軸力傳感器徑向力受力段施加載荷，支撐段添加位置約束，各典型工況下應力云圖如圖7所示。

圖7 典型工況下銷軸力傳感器有限元分析結果

通過應力分布可以看出銷軸力傳感器整體結構設計合理，并且三種典型工況下應力大小均低于銷軸力傳感器本身材料屈服極限。

文中以挖掘機工作裝置部分為研究對象，在三種典型工況下分析計算理論挖掘力大小，并取鏟斗為隔離體計算銷軸力傳感器受力段所受理論載荷大小，通過有限元軟件得到大型挖掘機銷軸力傳感器的應力分布規律。根據分析結果可知，在三種典型工況下銷軸力傳感器均能滿足使用需求，為銷軸力傳感器實際加工生產和測試應用提供技術基礎。