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有限元分析在液压挖掘机工作装置设计上应用

梁晓东

（广西玉柴重工有限公司，广西玉林

537005）

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摘要] 本文以某挖掘机的工作装置作为主要的研究对象，对液压挖掘机的典型工况进行全面分析的同时，对工作装置所进行的典型工况的

强度、变形和模态进行分析，并结合产品的实际开发情况进行有效的验证。基于工作装置整体的集成有限元分析方法能够极大程度的降低构
件的简化，造成计算出现误差，从而提升了产品的改进设计水平。
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关键词] 液压挖掘机；工作装置；有限元分析

目前，有限元法在工程机械的机构计算分析中得到了较为广泛的使

用，但是有些还只是停留在某个关键的部件或者部分结构中，对其进行
刚度、强度和模态的分析，在结构件在分开计算的时候，许多边界的条
件和载荷不能够确定，出现结构简化等问题，这极大程度的影响了极端
结果的准确度。本文就有限元分析在液压挖掘机工作装置设计上应用进
行了一定的探讨。

有限元分析

有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理

系统。在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简
单、独立的点组成的几何模型。在这种方法中这些独立的点的数量是有
限的，因此被称为有限元。由实际的物理模型中推导出来得平衡方程式
被使用到每个点上，由此产生了一个方程组。这个方程组可以用线性代
数的方法来求解。有限元分析的精确度无法无限提高。元的数目到达一
定高度后解的精确度不再提高，只有计算时间不断提高。

工作装置集成有限元模型的建立

２．１整体三维模型的建立
液压挖掘机的工作装置是由斗杆、动臂、铲斗和油缸所组成的，根

据某液压挖掘机的主要参数，可以利用 UG软件来建立动臂、铲斗、车
架、斗杆的三维几何模型。在建立模型的时候，必须去掉螺纹孔、不影
响计算结果的倒角、运输吊耳等要素。在实际模型中焊缝处均按连续处
理，其材料按照与母材相同处理。将以上各个部分装配到一起的几何模
型。

２．２有限元模型的建立
由于工作装置的实际结构主要是由薄钢板焊接成的，且几何模型很

复杂，故划分有限元模型的单元类型选择三维实体单元 Solid45，油缸
采用 link8 单元模拟。然后利用 UG中 GFEM 模块提供的面向 ANSYS
软件的有限元前处理功能生成有限元模型。

工作装置集成有限元分析

３．１强度分析
以计算工况为例，对工作装置进行整体集成强度分析。该工况是动

臂和斗杆液压缸作用力臂最大，斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动
臂铰点连线的延长线上，方向垂直于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点
的连线，载荷为重力和切向力，作用在中齿齿尖上，这时动臂油缸所承
受的拉力和斗杆油缸所承受的压力都达到了最大值。切向载荷和自身重
力载荷作用时计算得到的工作装置整体应力图。工作装置最大应力位置
分布情况，斗杆和动臂均出现了大应力的位置。从工作装置整体应力图
中提取斗杆与动臂局部应力位置图，可以得到该工况下斗杆、动臂的应
力分布情况，斗杆应力最大的位置在斗杆与动臂的连接处以及铲斗油缸
的支座处；动臂大应力的位置主要是在斗杆油缸支座处、连接盖的根部
以及动臂下盖板前端。工作装置只有切向力和自身重力载荷作用时，最
大应力值为 130MPa，发生在斗杆处，即斗杆与动臂的连接处以及铲斗
油缸的支座处。该工况下斗杆上的应力都比较大，动臂上的应力比斗杆
的小。在 5 种典型计算工况中，此种工况下斗杆应力最大。同理，根据
工况的分析方法，也可以得到其他几种工况下，工作装置承受不同载荷

作用下的应力分布情况，找到最大应力危险面发生位置。

３．２变形分析
工作装置通常会承受侧向力载荷，受到偏载工作装置会产生变形。

以往对工作装置各组成部件进行单独有限元分析，无法从工作装置整体
角度进行变形分析，从而忽视了这种变形的存在。以计算工况为例，对
工作装置进行整体变形分析。该工况下工作装置受力有 3 种情况：切向
力和自身重力载荷作用；侧向力和自身重力载荷作用；切向力、侧向力
和自身重力载荷综合作用。当工作装置在侧向力和自身重力载荷作用
时，在偏载作用下，工作装置的整体变形分布情况。图中铲斗齿尖上的
最大变形为 28.21mm，当工作装置在切向力、侧向力和自身重力载荷
作用时，在偏载作用下，工作装置整体变形分布情况，最大变形为

49.7mm。

同理，根据工况 1 的分析方法，也可以得到其他 4 种工况下，

工作装置承受不同载荷作用下的工作装置整体变形情况。液压挖掘机工
作装置上铰点较多，工作时销轴和轴套之间相对转动且传递载荷大，通
常情况下，动臂与斗杆铰接处斗杆侧板变形和斗杆上铲斗油缸支座变形
较大，有必要分析动臂与斗杆、斗杆与铲斗间关键铰点的变形情况。可
以从工作装置整体变形图中提取动臂与斗杆铰接处斗杆侧板变形以及铲
斗油缸支座的变形情况，斗杆两侧板相对变形量是 0.164mm，铲斗油
缸支座最大变形出现在两侧板上，最大的相对变形量为 0.152mm。

３．３模态分析
当液压系统激励频率和外力的作用频率接近工作装置的固有频率时

都将引起系统的共振，使工作装置振动加剧。为了防止由于结构轻量化
引起的振动，本文对该工作装置进行了有限元模态分析。在模型建成
后，对 5 种典型工况分别进行有限元结构动力模态分析，得到了系统前

阶谐调频率和振型。提取了其中几阶比较有代表性的模态，为工况

情况下的三阶典型振型，5 种工况下前三阶振型的固有频率。模态分析
表明，由各阶振型图可以发现斗杆和铲斗的刚度相对较小，各阶频率对
其影响较为明显。各阶振型主要表现为各部件的侧向和铲斗扭转变形以
及系统绕基座转动点处的回转变形，表现出系统的空间固有特性。本文
有限元分析中没有考虑铲斗中物料对整个系统的影响，若考虑物料的影
响，系统的固有频率将相应降低，振型随之改变。

工作装置集成有限元结果

根据以上对工作装置整体进行 5 种工况下不同工作载荷情况下的

强度、变形及模态分析，可以得到几点结论：在多数工况下，工作装置
的应力水平都在 130MPa 以内。前 4 种工况下，斗杆的应力均较大，
大应力位置出现在铲斗油缸支座、斗杆与动臂连接处的斗杆底板上及其
斗杆小端。其中在切向载荷作用下，斗杆与动臂连接处及斗杆底板的应
力最大。在第 5 种工况下，与前几种工况不同，最大应力出现在动臂
上。在只承受扭转载荷时，抗扭截面模量最小的位置就是在扭转载荷作
用下工作装置最薄弱的环节。所以，在扭转工况，动臂小端和斗杆小端
的应力很大。工作装置几个危险截面的应力值及变形值为：斗杆上斗杆
与动臂连接处最大应力值 130Mpa。在第 2 种工况下，动臂与斗杆铰接
处斗杆两侧板相对变形量是 0.164mm；斗杆上铲斗油缸支座相对变形
量是 0.157mm；在第 5 种工况下，铲斗油缸支座最大（下转第２７２页）

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