CN106836328B - 一种矿用正铲液压挖掘机的动臂及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种矿用正铲液压挖掘机的动臂及其制造方法，所述动臂包括顶板、侧板、底板、前挡板、后挡板、尾部箱体、耳板以及铰接耳板，所述顶板、侧板、底板、前挡板、后挡板、尾部箱体共同围成动臂箱体；所述底板的前部安装耳板，所述耳板分别与所述斗杆、所述铲斗油缸以及所述动臂油缸铰接；所述底板上安装用于与斗杆油缸铰接的铰接耳板；所述制造方法包括以下步骤：建立动臂的CAD模型；并进行工作装置斗杆挖掘动力学仿真，然后获得动臂拓扑模型；对动臂模型进行有限元强度与失稳分析并校正，获得新动臂模型；确定动臂的仿真模型，制造动臂。本发明的有益效果是：优化并重新设计了动臂装置的结构，并减轻了它的重量，提高了工作装置的整体性能与工作效率。

Description

一种矿用正铲液压挖掘机的动臂及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种矿用正铲液压挖掘机的动臂及其制造方法，尤其是适用于400～600吨级的正铲液压挖掘机的动臂装置。

背景技术

大型液压挖掘机是矿石生产的重要设备，液压挖掘机工作装置是铲装岩石的执行部件，由动臂、斗杆、铲斗、油缸等组成，工作装置的性能与可靠性是整机先进性的重要标志。为了提高挖掘机的采装效率，降低生产成本，液压挖掘机不断朝着大型化、智能化方向发展。

发明内容

针对大型矿用正铲液压挖掘机高性能需求，本发明提出一种不改变动臂强度、工作特性等条件，优化并重新设计了动臂装置的结构，并减轻了动臂的重量，提高了工作装置的整体性能与工作效率的一种矿用正铲液压挖掘机的动臂及其制造方法。

本发明所述的一种矿用正铲液压挖掘机的动臂，其特征在于：包括顶板、侧板、底板、前挡板、后挡板、尾部箱体、多块彼此平行布置的耳板以及多块平行彼此布置的铰接耳板，顶板尾部向一侧翻折形成折角，并在顶板尾部安装用于与挖掘机机体铰接的尾部箱体；所述顶板的两侧边沿分别与相应的侧板边沿固接，所述顶板的前端边沿、所述侧板的前端边沿分别与前挡板相应的边沿固接，所述顶板的后端边沿、所述侧板的后端边沿分别与后挡板相应的边沿固接，所述侧板的下边沿、所述前挡板的下边沿以及所述后挡板的下边沿分别与底板相应边沿固接，所述顶板、侧板、底板、前挡板、后挡板、尾部箱体共同围成动臂箱体；所述底板的前部安装耳板，其中所述耳板分别与所述斗杆、所述铲斗油缸以及所述动臂油缸铰接；所述底板上安装用于与斗杆油缸铰接的铰接耳板。

所述底板的前部安装4块彼此平行的耳板，每块耳板上设有第二安装通孔、第三安装通孔以及第四安装通孔，且每块耳板上相应的通孔位置对应，即所述第二安装通孔同轴，所述第三安装通孔同轴、所述第四安装通孔同轴；内侧两耳板之间装有中间耳板加强板，位于内侧的两块耳板的第二安装通孔之间装有用于与斗杆末端箱体铰接的加强轴；耳板的第三安装通孔通过销轴与铲斗油缸的伸缩杆铰接，铲斗油缸底部与铲斗铰接；第四安装通孔通过销轴与动臂油缸的伸缩杆铰接，动臂油缸的底部与挖掘机的机体铰接。

所述底板的底面上安装5块铰接耳板，每块铰接耳板设有用于与斗杆油缸铰接的第五安装通孔，所述第五安装通孔同轴布置；最外侧的两个铰接耳板分别与相邻的内侧耳板之间装有外侧耳板加强板，内侧的铰接耳板之间各配有一块内侧耳板加强板。所述动臂箱体内设有两块彼此平行的加强箱体以及与加强侧板，其中加强侧板的上边沿与顶板内表面固接；加强侧板的下边沿与底板内表面固接；所述加强箱体夹在加强侧板之间，并且加强箱体的上表面与顶板固接，加强箱体的下底面与底板固接。

所述加强箱体的内部设有至少一块用于支撑的加强隔板，其中加强隔板的上下边分别与加强箱体的上表面、下底面固接。

所述顶板的尾部装有两个尾部箱体，并且每个尾部箱体设有一个第六安装通孔，两个第六安装通孔同轴，所述尾部箱体通过安装在第六安装通孔上的销轴与挖掘机机体铰接。

所述挖掘机指重量为400～600吨的正铲液压挖掘机。

如本发明所述的一种矿用正铲液压挖掘机的动臂的制造方法，包括以下步骤：

1)根据挖掘机的工作装置原始模型，在三维设计软件中建立动臂三维几何模型，即动臂的CAD模型；

2)将动臂的CAD模型导入到有限元软件中进行处理，对实体模型进行壳单元网格划分建立其相应的网格模型，在特殊节点建立刚性连接单元；然后将网格模型导入到多体动力学软件中，施加相应的约束、负载以及运动参数，进行工作装置斗杆挖掘动力学仿真，并输出动臂在结构应力最大时动臂的受力；

3)对实体模型进行四面体单元网格划分建立其相应的网格模型，并把动臂分为设计区域和非设计区域两部分，通过在特殊节点建立刚性连接单元；设置动臂的优化变量、约束、目标等参数，并进行迭代优化，获得动臂拓扑模型；

4)对动臂模型进行有限元强度与失稳分析，并根据分析结果对动臂模型进行校正，获得新动臂模型；

5)将新动臂模型重新导入到多体动力学软件中，施加相应的约束、负载以及运动参数，进行工作装置斗杆挖掘多体动力学仿真，对比新动臂模型与为校正过的动臂模型在同等挖掘工况下的比较仿真，确定新动臂模型的性能优越性和可行性，确定动臂的仿真模型；

6)根据动臂的仿真模型制造出相应符合条件的零部件，并将相应零部件进行装配，获得最终完成的动臂。

本发明的有益效果是：针对400～600吨级矿用正铲液压挖掘机的轻量化需求，本发明在不改变动臂强度、工作特性等条件下，优化并重新设计了动臂装置的结构，并减轻了它的重量，提高了工作装置的整体性能与工作效率。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是本发明的铰接耳板图。

图3是本发明内部侧板及内部箱体结构图。

图4是本发明的内部箱体结构图。

图5是优化前的动臂结构图。

图6是优化前的动臂内部结构图。

图7是优化前动臂安装图。

图8是本发明优化后的动臂安装图。

图9是优化前动臂CAE模型。

图10是本发明的优化后的动臂CAE模型。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的一种矿用正铲液压挖掘机的动臂，其特征在于：包括顶板1、侧板2、底板3、前挡板4、后挡板5、尾部箱体6、多块彼此平行布置的耳板7以及多块平行彼此布置的铰接耳板8，顶板1尾部向一侧翻折形成折角，并在顶板1尾部安装用于与挖掘机机体铰接的尾部箱体6；所述顶板1的两侧边沿分别与相应的侧板2边沿固接，所述顶板1的前端边沿、所述侧板2的前端边沿分别与前挡板4相应的边沿固接，所述顶板1的后端边沿、所述侧板2的后端边沿分别与后挡板5相应的边沿固接，所述侧板2的下边沿、所述前挡板4的下边沿以及所述后挡板5的下边沿分别与底板3相应边沿固接，所述顶板1、侧板2、底板3、前挡板4、后挡板5、尾部箱体6共同围成动臂箱体15；所述底板3的前部安装耳板7，其中所述耳板7分别与所述斗杆9、所述铲斗油缸10以及所述动臂油缸11铰接；所述底板3上安装用于与斗杆油缸12铰接的铰接耳板8。

所述底板3的前部安装4块彼此平行的耳板7，每块耳板7上设有第二安装通孔71、第三安装通孔72以及第四安装通孔73，且每块耳板7上相应的通孔位置对应，即所述第二安装71通孔同轴，所述第三安装通孔72同轴、所述第四安装通孔73同轴；内侧两耳板7之间装有中间耳板加强板75，位于内侧的两块耳板的第二安装通孔之间装有用于与斗杆9末端箱体铰接的加强轴74；耳板7的第三安装通孔72通过销轴与铲斗油缸10的伸缩杆铰接，铲斗油缸10底部与铲斗13铰接；第四安装通孔73通过销轴与动臂油缸11的伸缩杆铰接，动臂油缸11的底部与挖掘机的机体铰接。

所述底板3的底面上安装5块铰接耳板8，每块铰接耳板8设有用于与斗杆油缸14铰接的第五安装通孔81，所述第五安装通孔81同轴布置；最外侧的两个铰接耳板8分别与相邻的内侧耳板之间装有外侧耳板加强板82，内侧的铰接耳板之间各配有一块内侧耳板加强板83。

所述动臂箱体15内设有两块彼此平行的加强箱体16以及与加强侧板17，其中加强侧板17的上边沿与顶板1内表面固接；加强侧板17的下边沿与底板3内表面固接；所述加强箱体16夹在加强侧板17之间，并且加强箱体16的上表面与顶板1固接，加强箱体16的下底面与底板3固接。

所述加强箱体16的内部设有至少一块用于支撑的加强隔板161，其中加强隔板161的上下边分别与加强箱体16的上表面、下底面固接。

所述顶板1的尾部装有两个尾部箱体6，并且每个尾部箱体6设有一个第六安装通孔61，两个第六安装通孔61同轴，所述尾部箱体6通过安装在第六安装通孔61上的销轴与挖掘机机体铰接。

所述挖掘机指重量为400～600吨的正铲液压挖掘机。

实施例2如本发明所述的一种矿用正铲液压挖掘机的动臂的制造方法，包括以下步骤：

1)根据挖掘机的工作装置原始模型，在三维设计软件如UG中建立动臂三维几何模型，即动臂的CAD模型；

2)将动臂的CAD模型导入到有限元软件如HyperMesh中进行处理，对实体模型进行壳单元网格划分建立其相应的网格模型，在特殊节点建立刚性连接单元；然后将网格模型导入到多体动力学软件如ADAMS中，施加相应的约束、负载以及运动参数，进行工作装置斗杆挖掘动力学仿真，并输出动臂在结构应力最大时动臂的受力；

3)对实体模型进行四面体单元网格划分建立其相应的网格模型，并把动臂分为设计区域和非设计区域两部分，其中图9中深色部分非设计区域，浅色部分为设计区域，通过在特殊节点建立刚性连接单元；设置动臂的优化变量、约束、目标等参数，并进行迭代优化，获得动臂拓扑模型：

根据不同约束下拓扑结构不同，选择拓扑优化单元密度云图材料分布清晰，无较多材料堆积，且应力较小的拓扑结果；拓扑结构为概念设计模型，不满足生产制造需求，且结构应力比原始结构大很多，不满足优化设计的要求。把不规则的曲面用平面和曲面替代，圆形柱体去除，用箱形梁代替，这样利于加工制造；应力大的地方可以通过增加隔板来缓解局部应力集中。结构优化后的动臂CAE模型如图10所示；

4)对动臂模型进行有限元强度与失稳分析，并根据分析结果对动臂模型进行校正，获得新动臂模型：

动臂装置的实体重新设计，同样采用钣金材料焊接而成，然而大型板材构件的稳定性存在缺陷敏感性，设计的时候必须得考虑板材的稳定性问题；通过给大型钣金件焊加适当距离的横向隔板与纵向加强筋来提高构件的稳定性；

5)将新动臂模型重新导入到多体动力学软件中，施加相应的约束、负载以及运动参数，进行工作装置斗杆挖掘多体动力学仿真，对比新动臂模型与为校正过的动臂模型在同等挖掘工况下的比较仿真，确定新动臂模型的性能优越性和可行性，确定动臂的仿真模型；

6)根据动臂的仿真模型制造出相应符合条件的零部件，并将相应零部件进行装配，获得最终完成的动臂；

结果表明：同种工况下进行作业，优化后的动臂比优化前质量减轻21.336％，结构强度与原始动臂保持一致，制造动臂的焊板类型也减少了。同时，新动臂较原始动臂的整体结构有了巨大的改变，整体空间减小，内板数量也减少。动臂优化前与优化后的三维模型，如附图5与附图1、2所示，优化前后箱体内部肋板分布如附图6与附图3、4所示。优化前后工作装置如附图7与附图8所示。

根据新旧动臂的参数对比，新动臂强度、稳定性性能上与旧动臂保持一致，重量减轻21.336％，减少了焊板的种类和数量，减少了焊接的次数与所占空间，提高了动臂装置的寿命和制造成本。轻量化的设计不仅节省了材料、燃料与制造成本，而且提高了生产效率，因此该发明具有可行性与实用性。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种矿用正铲液压挖掘机的动臂，其特征在于：包括顶板、侧板、底板、前挡板、后挡板、尾部箱体、多块彼此平行布置的耳板以及多块平行彼此布置的铰接耳板，顶板尾部向后端向下翻折形成折角，并在顶板尾部安装用于与挖掘机机体铰接的尾部箱体，所述顶板的尾部装有两个尾部箱体，并且每个尾部箱体设有一个第六安装通孔，两个第六安装通孔同轴，所述尾部箱体通过安装在第六安装通孔上的销轴与挖掘机机体铰接；所述顶板的两侧边沿分别与相应的侧板边沿固接，所述顶板的前端边沿、所述侧板的前端边沿分别与前挡板相应的边沿固接，所述顶板的后端边沿、所述侧板的后端边沿分别与后挡板相应的边沿固接，所述侧板的下边沿、所述前挡板的下边沿以及所述后挡板的下边沿分别与底板相应边沿固接，所述顶板、侧板、底板、前挡板、后挡板、尾部箱体共同围成动臂箱体，所述动臂箱体内设有两块彼此平行的加强侧板与加强箱体，其中加强侧板的上边沿与顶板内表面固接；加强侧板的下边沿与底板内表面固接；所述加强箱体夹在加强侧板之间，并且加强箱体的上表面与顶板固接，加强箱体的下底面与底板固接；所述底板的前部安装耳板，其中所述耳板分别与斗杆、铲斗油缸以及动臂油缸铰接；所述底板上安装用于与斗杆油缸铰接的铰接耳板。

2.如权利要求1所述的一种矿用正铲液压挖掘机的动臂，其特征在于：所述底板的前部安装4块彼此平行的耳板，每块耳板上设有第二安装通孔、第三安装通孔以及第四安装通孔，且每块耳板上相应的通孔位置对应，即所述第二安装通孔同轴，所述第三安装通孔同轴、所述第四安装通孔同轴；内侧两耳板之间装有中间耳板加强板；位于内侧的两块耳板的第二安装通孔之间装有用于与斗杆末端箱体铰接的加强轴；耳板的第三安装通孔通过销轴与铲斗油缸的伸缩杆铰接，铲斗油缸底部与铲斗铰接；第四安装通孔通过销轴与动臂油缸的伸缩杆铰接，动臂油缸的底部与挖掘机的机体铰接。

3.如权利要求2所述的一种矿用正铲液压挖掘机的动臂，其特征在于：所述底板的底面上安装5块铰接耳板，每块铰接耳板设有用于与斗杆油缸铰接的第五安装通孔，所述第五安装通孔同轴布置；最外侧的两个铰接耳板为外侧耳板加强板，内侧的铰接耳板为内侧耳板加强板。

4.如权利要求3所述的一种矿用正铲液压挖掘机的动臂，其特征在于：所述加强箱体的内部设有至少一块用于支撑的加强隔板，其中加强隔板的上下边分别与加强箱体的上表面、下底面固接。

5.如权利要求4所述的一种矿用正铲液压挖掘机的动臂，其特征在于：所述挖掘机指重量为400～600吨的正铲液压挖掘机。

6.如权利要求1～5任意一项所述的一种矿用正铲液压挖掘机的动臂的制造方法，包括以下步骤：

1)根据大型正铲液压挖掘机的工作装置原始数据，在三维绘图软件中建立动臂的三维几何模型；

2)将动臂的三维几何模型导入有限元软件中，对设计的三维几何模型进行壳单元网格划分，建立动臂网格模型，并将网格模型导入到多体动力学软件刚柔耦合模型中，施加相应约束、负载以及运动参数，进行挖掘机工作装置刚柔耦合模型的多体动力学仿真，并输出动臂受力；

3)绘制体单元类型的动臂网格模型，采用有限元将该网格模型进行拓扑优化设计，并根据优化的结果对动臂进行建模，获得动臂拓扑模型；

4)对动臂拓扑模型进行有限元强度与失稳分析，并根据分析结果对动臂模型进行校正，获得新动臂模型；

5)将新动臂模型重新导入多体动力学刚柔耦合模型中，搭建工作装置刚柔耦合模型，并按照原始模型的运动仿真，重新对新模型进行工作装置多体动力学仿真，对比新动臂模型与未校正的动臂模型在同等挖掘工况下的比较仿真，确定新动臂模型的性能优越性与可行性，从而确定动臂仿真模型；

6)根据动臂仿真模型制造出相应符合条件的零部件，并将相应的零部件进行装配，获得最终完整的动臂。

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