液压挖掘机动臂优化设计的探析

胡丽琴

摘 要：在挖掘机构架中，动臂被看作必要部分，是承重的关键。施工的各阶段内，动臂都承受着冲击性的瞬时荷载，因而很易扭曲变形或是隐含裂痕。从根本上看，动臂是否符合最佳的刚度及强度要求，密切關系到液压挖掘机整体操作的质量。优化设计动臂，可以防控某一时段的应力聚集，减轻动臂自身的重量。经过优化以后，设计出更合适的动臂尺寸。针对于液压挖掘机，采纳有限元解析的方式予以优化设计，从根本上提升了挖掘机的精度，优化生产实效。

关键词：液压挖掘机；动臂；优化设计

在各类工程范围内，液压挖掘机都经常被选用。挖掘机可用于节省劳动，减低了劳动强度。对于土石方施工、搬运及机械施工，都可优先选用液压式的挖掘机。液压挖掘机配备了动臂，可以承载瞬时的较强负荷[1]。在施工进程中，动臂应能维持于最佳的运转状态，慎重防控突然的断裂及损伤。对于此，有必要解析动臂设计的优化方式，在各类方案中筛选最适宜的优化措施。

一、总体的优化思路

技术快速进步，与之相伴的工程机械也表现出更优的质量水准。在新的阶段内，工程机械配备了计算机软硬件，优化了日常施工的方式。针对于零部件及整体机械，都可采纳微机辅助下的优化。在解析机械构架时，也可选取有限元的特定方式。从现状来看，某些软件增设了配套性的接口，也配备了CAD平台用于制作模型。这样做，从根本上提升了解析时的精确性。然而，在转换模型时，仍会耗费较多精力及时间用于修补原先的模型，因此制作出来的模型并没能完全吻合设置的目标。若能采纳有限元特定的解析方式，即可优化现有的动臂参数。设定参数范围，而后寻求最优的数值信息[2]。

液压挖掘机装置中，动臂是关键的构件。挖掘机在运转时，动臂也承载了较大的上侧负荷。然而日常施工的流程内，冲击性的瞬间负荷通常都会较高，这种状态下的挖掘机很易超越设定的变形限度，造成弯曲变形。同时，设置动臂也要兼顾本身的刚度及强度。这是由于，配置的动臂是否合适，直接关系到应力聚集的程度及挖掘机的顺利运转。优化设计要借助于有限元软件，创造无缝集成。这样做，确保符合了设定的精度，提升优化的成效并且可以指引实践。

二、设计系统架构

通常来看，若要解析某一问题，在工程学角度下先要予以抽象。在这之后，采纳数学建模的设计方式。从这种角度看，优化设计的根本宗旨即为构建模型。液压挖掘机设有动臂，这种构件应能顺利运转并且运送原料。但是与此同时，动臂也承受着较多的作用力。在优化设计中，先要构建必备的物理模型，考虑动臂本身的特性。给出限定条件，而后拟定必备的变量参数。经过全方位优化，即可配备最适宜的动臂性能指标。因此从整体来看，数学模型涵盖了约束条件、设计的变量、相应的目标函数。

液压挖掘机这类装置包含了动臂、铲斗及配套的油缸，此外还配备了箱体的焊接结构。在动臂的根部，衔接了铰接的销轴，平台中部及前端也配备了必要的焊接结构。转台设置了支撑性的动力油缸，在铰接作用下油缸将会反复伸缩，带动了升降运动的动臂结构[3]。

三、构建数学模型

挖掘机在运转的进程中，动臂表现出举伸的作用力。唯有这样，才会确保最合适的挖掘总量。对于此，液压系统及配套的发动机都应提升可承载的负荷总量，尽量满负荷运转。借助于发动机，提升了整体的挖掘机功率，获取优良的经济成效。经过解析可得，若油缸完全伸缩，那么斗杆及动臂将会维持于同样的基准线。在这时，动臂的铰接点表现出最大受力，举伸的作用力也可达到最佳。这种状态下，动臂油缸可被提升至最高，目标函数设定为最小的比值。

经过有限元分析，先要配备动臂的几何模型。选取特定的软件，快速生成更精准的有限元模型。优化后的动臂模型表现出三维的实体性，可以输入信息。在这种基础上，改进了各部分动臂原有的尺寸。在焊接动臂时，可选取多型号的钢材用于焊接。最好选取某一模型钢材，设定合适的弹性模量及密度，泊松比也要适当。针对动臂的运转特性，有限元分析包含了铰接转台的自由移动度，应当增设必要的自由度约束。在轴承方向上，还需施加荷载来表示各类支点分布的受力形态，因此可以确定优化后的动臂设计[4]。

四、解析动臂的灵敏性

有限元分析中，配备了灵敏度分析的必要模块，可用于评价定量及定性的动臂误差。在模型校正及参数化过程中，有限元分析都被看作最合适的用具，它表征了描述系统时的不可确定性。从根本上看，局部及全局性的灵敏度解析都被包含在内。优化设计动臂时，不需考虑衔接性的其他装置构件。从力学原理来看，动臂铰接点分布的应力状态都会带来某些影响。为此，就要设置最佳敏锐度的动臂结构，优选合适的参数。

除了全局的敏锐度，还需衡量局部性的动臂敏锐程度。具体来看，局部的解析针对于变化中的单个参数，设置了精准的评价模型。筛选几个参数，而后辨析了综合设计带来的动臂灵敏度影响。全局的优化设计更注重于整体优化，解析了参数相互的作用。在这种基础上，确定了最大范围内的动臂性能影响，找出最合适的优化数据范围。满足约束条件的基础上，应能确保动臂体积减小、自身重量减轻，并且能够分散原本集中的动臂应力。

五、结语

液压挖掘机的优化设计不可缺失动臂的优化，构建了必要的优化模型，从全方位入手优化配备了动臂的性能。借助于有限元分析，设定了敏锐度等多样的参数用于优化。经过全面优化，设计出来的新式动臂符合了负载强度，可以分散应力并且减轻负重。这样做，选取了合适的动臂几何尺寸，运转的动臂将会表现出更优的实效性。在未来实践中，还需不断摸索设计优化的经验，服务于液压挖掘机的施工实践。

参考文献：

[1]郑惠强，王业文.液压挖掘机动臂优化设计数学模型的建立[J].中国工程机械学报，2012（02）：142-144.

[2]陈健，周鑫，刘欣等.液压挖掘机动臂结构的优化设计[J].工程机械，2012（07）：19-22+5-6.

[3]朱奇，孙纪燕. 液压挖掘机动臂优化设计[J].工程机械，2012（09）：34-36+7.

[4]吴盛彬，刘孝保.液压挖掘机动臂内部筋板的拓扑优化设计[J].新技术新工艺，2014（08）：43-45.