挖掘机动臂运动分析

挖掘机动臂有限元模态分析

中图分类号：Ｈ１，Ｕ２文献标识码：Ｔ６Ｔ６１Ａ
挖掘机工作装置的传统设计多采用静力计算确定工作装置
当系统的自由度很大时对这样一组耦合方程进行求解将非模态分析方法就是以无阻尼的各阶主振型所对应的模态的受力，依靠安全系数的选取保证其强度及可靠性的经验方法，常困难。１解耦，变成各个独立的微分方程。对而未能充分考虑其工作过程中所受动态载荷带来的冲击与振动坐标来代替物理坐标使式（）问题。挖掘机作业过程中工作装置时刻处于振动之中，且其振动式（）１进行拉氏变换后得到：怕【］）（）＿）（）ｓｃ＋｛ｓ｝（｝２陶ｘ５
ｒｄｏｔｎｔｏｓｅｗｉｒａｓｌｔｆｅｎｓａｄｐａｔａｒｓｉｉ．ｔａｔｔｅｏｅ５ｍｏｅｒｉｕｉｗｔｓｈｃａｅｂｏｕｅｒｅｅｓｎｒｉｅｔｃｏＡｓ．ｒ１ｄｓａｅｅｔａｈｃｃｌｒｔｎｌｈｆａｏｔｄａｄｅｔｎｅ．ｓｉｈｒｎｅｕｎｙａｄｍｉｉｒｉｏｅｉｒｖｅｅ．ｈｔｄｒｖｄｓｉ— ｄｐｅｎｘｅｄｄＩｎｅｅｔｒｑｅｃｎａｎｖａｏｍｄｓｅｉｗｄＴｅｓｙｐｏｉｅｍ— ｔｆｂｔｎｕｐｒｔｏｅｐａｅｅｆｒａｙｉｏｍｃｖｏ，ｄｉｐｏｉｅｆｕｄｔｎｏｅａａｓ — ｏｔｄｌａｍｔｒｏｌｓｆａｏｅａａｒａｔｒｖｄｓｏｎａｉｔｌｉｏｄｎａｍｒｎａｓｒｆｘｔｎｏｆｈｎｙｓｆｙｎｉｐｒｒｎｅａｄｏｔｉｉｒｃｕａｙａｉｃａａｔｉｉｆｒｔｍｏｃｖｏｄｔｅｍｆａｃｅｏｍａｃｉｚｏｏｓｕｔｒｄｎｃｈｒｅｓｃｏｅａｅａａｒａｎｐｍａｎｆｔｔｌｍｃｒｔｓｈｒｆｘｔｎｈ

液压挖掘机动臂有限元分析方法研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔ￣ｉｎｇａｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｃａｖａｔｏｒ（２０ｔ）ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔ。ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅａｍｌｅｓｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｆｏ
Ｔｈｅｎａａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｄｑｕｉｃｋｌｙｂｕｉｌｄｅｎｔｉｔｙａｎｄｉｎｆｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌａｎｄｃａｒｔｇｕｒａａｎｔｅｅｔｈｅｑｕｌｉａｔｙｆｇｏｒｉｄａｎｄｃｏｍｐｕｔｔｉａｏｎｌａｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ．Ａｔｔｈｅ３Ｏ；ｌ￣ｅｔｉｍｅ，ｉｔａｌｓｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｈｒｉａｎｇｏｆｔｈｅｉｆｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｄｆｉｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｎｄａｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
摘
要：以某型液压挖掘机（２０ｔ级）为研究对象，基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ、Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ、Ａｎｓｙｓ三种软件无缝连接，利用各自软件功
能特点对挖掘机反铲工作装置一动臂进行建模和分析，提出了一种快速、方便、高效的有限元分析方法，该分析方法能够快速建立三维实体和有限元分析模型并能保证网格质量和计算效率，同时也解决了不同工况共享有限元模型和销轴连接模拟的问题；分析结果表明该分析方法是切实可行的，对其他工程机械有限元分析的研究也具有一定参考意义。

挖掘机工作装置运动和疲劳强度分析

设计计算DESIGN & CALCULATION挖掘机工作装置运动和疲劳强度分析武慧杰1，杨建伟1，张志强2（1. 北京建筑大学机电与车辆学院，北京 100044；2. 中交路桥北方工程有限公司，北京 100024）［摘要］针对挖掘机工作装置的疲劳损伤，利用Pro/E 及ANSYS 进行三维建模及有限元分析。

通过Pro/E 平台中的机构模块分析工作装置的极限位姿以及运动参数，然后利用工作装置位姿转换，基于力矩平衡关系，对斗杆挖掘和铲斗挖掘工况下的铰点进行受力分析，获取工作装置各铰点的最大载荷。

在此基础上，利用ANSYS 疲劳强度分析得出挖掘机最小疲劳全寿命。

研究结果可为挖掘机工作装置结构设计提供理论参考。

［关键词］挖掘机；运动分析；疲劳强度；全寿命［中图分类号］TU621 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X （2015）06-0089-05Kinematics and fatigue strength analysis of excavator working deviceWU Hui -jie ，YANG Jian -wei ，ZHANG Zhi -qiang本文在Pro/E 软件中对挖掘机整机进行实体三维建模，并运用Pro/E 的机构运动分析模块对挖掘机工作装置的包络图及铲斗齿尖的位移、速度和加速度进行仿真模拟。

然后基于ANSYS 软件，结合工作装置位姿关系计算工作装置各铰点承受的最大载荷，在此基础上对挖掘机动臂、斗杆进行应力和全寿命分析，得到挖掘机工作强度和使用寿命的校核结果，为挖掘机工作装置强度和可靠性分析提供了高效的解决办法。

１挖掘机三维建模与虚拟仿真1.1 工作装置原理与结构液压挖掘机的作业过程包括铲土挖掘、满载回转、举升卸载、空斗返回等，其中反铲作业设备是液压挖掘机的主要工作装置［1］，由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、连杆等组成，其结构如图1所示。

挖掘机动臂运动分析

值Ｉ０，时动油长Ｌ一云飞。 “ａＬ此，臂缸度 ‘ 了二歹ｍ５ｘ
３．斗杆运动分析．２３如下图３－４所示，Ｄ点为斗杆油缸与动臂的饺点，Ｆ点为动臂与斗
杆的铰点，Ｅ点为斗杆油缸与斗杆的铰点。
ａｏＬＣ＝ａｇ＝ＢＵ材一由图知ａ，ＵＦ， “ 二二２Ｌ＝。：，，＝Ｃａ一
故图中几何关系知：Ｘ，，，ｃｓ，＝Ｘ．＋Ｌ・ｏａ，２
．３６）（一．… （一７．３）
Ｙ二Ｌ－ｎＹ十，ａ１ｓ２ｉ
二３一９＿（）
机构型式不过几种，且它们之间还存在着许多共同点，现对最典型的结构型式作详细的运动分析，当反铲机构的几何参数确定以后，反铲机构的运动就取决于动臂油缸的长度Ｌ，Ｌ、斗杆油缸的长度Ｌ：Ｌ和铲斗油缸的长度Ｌ３Ｌ，现选取固定直角坐标系ＸＹ对反铲机构进行运动分析。Ｏ３．动臂运动分析．１３
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图３２动臂运动计算简图－
图３３动臂摆角范围－
（）动臂的摆角ｏ是动臂油缸长度Ｌ的函数，动臂上任意一点在任Ｉｌｉ，
为简化之，本文特采用以下方法，先分析固定坐标系方式下反铲工作装置各个机构的运动特性，得到一系列运动方程；再选用变换矩阵法来进行综
合运动分析，同时得到数学公式表述更简洁且有利于计算机编程的运动关系方程。反铲装置的具体结构型式有多种，按运动学分析，其中有实质差别的

挖掘机动臂工作原理

挖掘机动臂工作原理挖掘机是现代工程施工、矿山开采等领域中广泛使用的一种工程机械。

挖掘机的核心组成部分之一是动臂，它承担着挖掘、搬运和装载等重要任务。

动臂的工作原理涉及力学、液压和控制等多个方面。

本文将详细解释和讨论挖掘机动臂的工作原理，以及液压系统在其中的作用。

1. 动臂的结构和组成部分动臂是连接在挖掘机的回转平台上的一根长臂，其主要组成部分包括臂身、臂头、臂腕和油缸等。

臂身是动臂的主体部分，通常由钢材制成，具有足够的强度和刚度以承受挖掘和搬运工作中的应力和载荷。

臂头是连接臂身和臂腕的关键连接部件，它能够通过回转平台实现动臂的旋转。

臂腕是动臂的末端，用于连接挖斗等工具。

油缸是动臂的动力来源，通过液压系统驱动动臂的伸缩和旋转。

2. 动臂的伸缩原理动臂的伸缩是指动臂的长度可伸缩，使其适应不同工作场景和工况下的需求。

挖掘机动臂的伸缩主要通过油缸的伸缩实现。

油缸由油缸筒和油缸活塞组成，内部填充液压油。

在工作时，液压泵将液压油输送到油缸的一侧，使油缸活塞向外伸缩，从而推动动臂的伸展。

要缩回动臂，液压泵将液压油输送到油缸的另一侧，使油缸活塞收回，动臂也相应收回。

液压油在油缸两侧的流动实现了动臂的伸缩。

液压系统中的阀门控制油液的流动方向和流量，从而控制油缸活塞的伸缩速度。

通过控制阀门的开关状态，可以实现动臂的伸展和收回。

3. 动臂的旋转原理动臂的旋转是指动臂相对于回转平台的旋转运动。

动臂的旋转主要由油缸和回转平台上的回转机构实现。

油缸通过液压系统提供动力，推动动臂旋转机构的回转。

其中，回转机构包括回转齿圈、回转马达和其他配套部件。

当液压泵将液压油输送到回转齿圈的一侧时，回转齿圈会与动臂的回转马达相连，从而使动臂整体旋转。

反之，当液压泵将液压油输送到回转齿圈的另一侧时，动臂会旋转至另一个方向。

液压系统通过控制阀门的开关状态和油液的流动方向，实现动臂的旋转和停止。

4. 动臂的液压控制原理液压系统是挖掘机动臂工作的关键部分，它负责提供液压能量和控制油液的流动。

挖掘机的基本构造及工作原理分析

第二章挖掘机的基本构造及工作原理第一节概述一、单斗液压挖掘机的总体结构单斗液压挖掘机的总体结构包括①动力装置、②工作装置、③回转机构、④操纵机构、⑤传动系统、⑥行走机构和⑦辅助设备等，如图所示。

常用的全回转式液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上，通常称为上部转台。

因此又可将单斗液压挖掘机概括成工作装置、上部转台和行走机构等三部分。

工作装置——①动臂、②斗杆、③铲斗、④液压油缸、⑤连杆、⑥销轴、⑦管路上部转台——①发动机、②减震器主泵、③主阀、④驾驶室、⑤回转机构、⑥回转支承、⑦回转接头、⑧转台、⑨液压油箱、⑩燃油箱、○11控制油路、○12电器部件、○13配重行走机构——①履带架、②履带、③引导轮、④支重轮、⑤托轮、⑥终传动、⑦张紧装置挖掘机是通过柴油机把柴油的化学能转化为机械能，由液压柱塞泵把机械能转换成液压能，通过液压系统把液压能分配到各执行元件（液压油缸、回转马达+减速机、行走马达+减速机），由各执行元件再把液压能转化为机械能，实现工作装置的运动、回转平台的回转运动、整机的行走运动。

二、挖掘机动力系统1、挖掘机动力传输路线如下１）行走动力传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——中央回转接头——行走马达（液压能转化为机械能）——减速箱——驱动轮——轨链履带——实现行走２）回转运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——回转马达（液压能转化为机械能）——减速箱——回转支承——实现回转３）动臂运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——动臂油缸（液压能转化为机械能）——实现动臂运动４）斗杆运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——斗杆油缸（液压能转化为机械能）——实现斗杆运动５）铲斗运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——铲斗油缸（液压能转化为机械能）——实现铲斗运动1、引导轮2、中心回转接头3、控制阀4、终传动5、行走马达6、液压泵7、发动机8、行走速度电磁阀9、回转制动电磁阀10、回转马达11、回转机构12、回转支承2、动力装置单斗液压挖掘机的动力装置，多采用直立多缸式、水冷、一小时功率标定的柴油机。

挖掘机动臂自动下降故障的分析与排除

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土Ｅｏｃ＆ｔｏ石ｒｎＣｕｅｇ方ｗ工ｒｎｉｈｙ机ｒ技ｏｔｎａ旌ｉｓｎｌｔａｙｃｃ械Ｍ术ｒＴｏｈｈｏ与ｅｋ
升位置时，油缸小腔的液压油与回油油路接通．此时小腔液压油流入回油路，平衡即被破坏，于是下降速度变快。但按上述方法检查后，发现下降速度没有变化．则表明液压缸的密封件没有损坏，因此判断可能是控制
２引起故障的主要原因
根据液压系统原理图分析可知，出现上述故障的主要原因有以下４个方面［］：（动臂控制阀有故障。１）（动臂液压缸密封件损坏，２）导致内泄严重。（控制该动作的过载阀故障。３）（控制该动作的先导控制阀有故障。４）
阀、先导控制阀和安全锁定阀等．因此还需要进一步的检查和判断。
３３置换法．
用故障判断排除方法中的置换法．将控制动臂的
过载阀与控制铲斗或斗杆的过载阀互换来判断过载阀有无故障。具体方法是：先确定控制铲斗或斗杆的过载
阀正常，在装车状态下再将各自过载阀互换，然后切断过载油路与回油油路，若动臂不会下降，则表明过载阀
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土石方机械与施工技术
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挖掘机动臂自动吓降故障分析与拂除
０前言
一
３逐步分析和诊断
３１顺序检查法．
台小松Ｐ２０Ｃ０挖掘机在工作一段时间后．出现

挖掘机的工作原理

挖掘机的工作原理
挖掘机是通过柴油机把柴油的化学能转化为机械能，由液压柱塞泵把机械能转换成液压能，通过液压系统把液压能分配到各执行元件（济宁山鼎重工液压油缸、回转马达+减速机、行走马达+减速机），由各执行元件再把液压能转化为机械能，实现工作装置的运动、回转平台的回转运动、整机的行走运动。

1．行走动力传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——中央回转接头——行走马达（液压能转化为机械能）——减速箱——驱动轮——轨链履带——实现行走2．回转运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——回转马达（液压能转化为机械能）——减速箱——回转支承——实现回转
3．动臂运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——动臂油缸（液压能转化为机械能）——实现动臂运动
4．斗杆运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——斗杆油缸（液压能转化为机械能）——实现斗杆运动
5.铲斗运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——铲斗油缸（液压能转化为机械能）——实现铲斗运动。

挖掘机的机械手臂的设计（已处理）

挖掘机的机械手臂的设计挖掘机的机械手臂的设计摘要挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械,作为工程机械的主力机种。

由于液压挖掘机具有多品种,多功能,高质量及高效率等特点,因此受到了广大施工作业单位的青睐,其生产制造业也日益蓬勃发展。

挖掘机的主要特点为:能无级调速且调速范围大,能得到较低的稳定转速,快速作用时,液压元件产生的运动惯性小,加速性能好,并可作高速反转,传动平稳,结构简单,可吸收冲击和振动,操纵省力,易实现自动化控制,易于实现标准化、系列化、通用化。

本次设计的主要参数是斗容量0.2m3它属于中小型液压挖掘机,主要设计挖掘机的工作装置。

挖掘机的工作装置是直接完成挖掘任务的装置,本设计对工作装置的各个组成部分进行了较为详细的设计,这其中包括了动臂、斗杆和铲斗及其驱动装置的设计。

挖掘力约为30kN,最大卸载高度约为2.65m,最大挖掘深度4.2m,最大挖掘半径约为 5.728m,从中可以看出整机作业能力有了很大的改进,不仅挖掘力大,且机器重量轻,传动平稳,作业效率高,结构紧凑。

关键词挖掘机,机械手臂;斗杆目录摘要I第1章绪论 11.1 课题来源 11.2 课题的研究的背景和意义 11.3 国内外的发展与现状 21.4 本次设计概诉 3第2章机械手臂的设计 52.1 设计方案原则 52.2 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式52.2.1 确定动臂的结构形式 52.2.2 确定斗杆的结构形式72.2.3 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构7 2.2.4 铲斗与铲斗液压缸的连接方式92.3 确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置9 2.3.1 动臂油缸的布置92.3.2 斗杆油缸的布置102.3.3 铲斗油缸的布置112.4 动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择122.4.1 反铲装置总体方案的选择122.4.2 机构自身几何参数132.4.3 斗形参数的选择142.4.4 动臂机构参数的选择172.4.5 斗杆机构参数的选择212.4.6 连杆、摇臂参数的选择22第3章工作装置的强度计算233.1 斗杆的计算233.2 动臂的计算28结论30参考文献31致谢32绪论课题来源在学校组织的金工实习期间,对挖掘机的机械手臂的结构和工作原理有了一定的了解,本课题来源于此。

液压挖掘机动臂应力应变有限元分析

图３动臂各铰点约束图
统给出的一系列要求后就可以进行求解。求解是自动完成
输入信息进行调整，输入后重新求解。
Ｆ铰点：内侧施加Ｙ方向的约束，施加Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的载荷；外侧不加约束，但施加ｘ、Ｙ、Ｚ方向的载荷。
７动臂有限元分析结果
弹性模Ｅ＝２．１２ｘ１０Ｍｐａ。６求解
通过对动臂有限元模型施加设计载荷及约束，完成系
的。在系统处理求解过程中，若要详细了解求解过程的信Ｃ铰点：内侧施加Ｘ、Ｙ方向的约束；外侧施加Ｘ、Ｙ、Ｚ息，通常把ｏｕｔｐｕｔ窗口放到桌面的最前面。在求解过程中方向的约束，均不加载荷。如果出现求解过程中断现象，对中断原因进行分析、研究Ｂ铰点：施加载荷不加约束。Ｄ铰点：施加载荷不加约束。和判断；中断不能排除时可以尝试返回开始界面，通过对
Ｂ外侧Ｄ内侧Ｄ外侧Ｆ内侧
Ｆ外侧
— １１１７００－２６２３４ — ２６２３４６５４８０
４３４
— ．１６５９０ — ４２２６ — ４２２６－１８２１６
２６９５２
压缸作用力作为载荷依据动臂的结构特点和受力状况施
图４动臂各铰点载荷图
加在动臂上，将动臂与斗杆的连接铰点作为外载荷处理。时受到Ｚ向力的作用。另一种结构如图５（ｂ）所示，动臂头在有限元分析时对动臂的各铰点进行约束和施加载荷，处部的轴固定在侧板上，动臂头部的一侧受力，另一侧不受