挖掘机工作装置及其优化方法制造方法及图纸

本发明专利技术设计了一种挖掘机工作装置，其具体的设计方法包括：(1)建立挖掘机工作装置的各个部件并组装模型；(2)选取多种典型工况；(3)通过软件ANSYSworkbench进行各种工况下工作装置的静力学分析与模态分析；(4)基于ANSYSworkbench中自带的拓扑优化模块进行优化设计；(5)结合静力学与模态分析对优化后的模型进行验证与修改。本发明专利技术通过对优化后的模型进行反复的静力学与动力学联合分析验证，更加全面的检验了优化后模型的工作性能，得到了一种更为合理的新型挖掘机工作装置。本发明专利技术还涉及挖掘机工作装置及其优化方法。

Excavator working device and its optimization method

【技术实现步骤摘要】
挖掘机工作装置及其优化方法
本专利技术涉及机械领域，更具体地，设计了一种在满足工程机械的强度、刚度以及稳定性的前提下的挖掘机工作装置。
技术介绍
随着先进制造技术和新材料及其成形技术的迅猛发展，节能、减材、环保已成为当今机械制造业发展的目标。拓扑优化在挖掘机工作装置的应用上，国内大量学者进行了大量研究工作。贵州大学的应涛涛以工作装置中的斗杆为研究对象进行了拓扑优化并对优化后的模型进行了强度与刚度分析；浙江工业大学的宁晓斌基于拓扑优化的理论并结合静力学分析相验证的方式研究出了一种新型的斗杆结构；大连理工大学的张伟改造了挖掘机动臂结构并对其修改后的模型进行了静力学分析和疲劳寿命分析。现有的液压挖掘机轻量化设计的研究很多，不过普遍集中在对局部构件的研究上，忽略了局部构件变化的过程中对整体机构的影响。
技术实现思路
本专利技术提供了一种优化挖掘机工作装置的方法，并设计了在满足工程机械的强度、刚度以及稳定性的前提下的挖掘机工作装置。本专利技术提供的具体优化方法包括：(1)建立挖掘机工作装置的各个部件并组装模型；(2)选取多种典型工况；(3)通过软件ANSYSworkbench进行各种工况下工作装置的静力学分析与模态分析；(4)基于ANSYSworkbench中自带的拓扑优化模块进行优化设计；(5)结合静力学与模态分析对优化后的模型进行验证与修改。整个设计过程中选取的多种典型工况包括：工况一：斗杆油缸全部收缩且动臂与斗杆铰接点、斗杆与铲斗铰接点以及铲尖处于同一直线位置,铲尖与停机面重合，即最大挖掘半径位置；工况二：动臂油缸全部收缩，动臂与斗杆铰接点、斗杆与铲斗铰接点以及铲尖在一条直线上并竖直向下，即最大挖掘深度位置；工况三：三个工作油缸全部收缩位置；工况四：三个工作油缸均处于最大作用力臂位置；工况五：动臂油缸全部收缩，斗杆油缸处于最大作用力臂且动臂与斗杆铰接点、斗杆与铲斗铰接点以及铲尖在一条直线的位置；工况六：动臂及铲斗油缸全部伸出，斗杆油缸全部收缩，即最大卸载高度位置。本专利技术还提供了通过上述方法优化得到的挖掘机工作装置。此次专利技术的鲜明特点包括：(1)拓扑优化相较于传统的结构优化方式具有设计灵活、操作简单的特点。(2)本专利技术通过对修改后模型进行静力学与动力学联合分析验证，可以更加全面的检测到优化后模型的工作性能，更为切合实际，通过反复的验证和修改得到更加合理的挖掘机工作装置。附图说明图1为工作装置结构示意图。图2为挖掘机工作工程示意图。图3为工作装置结构分析中的六种工况位姿图。图4为工作装置设计区域与保留区域示图。图5为拓扑优化后结构图。图6为最终修改模型。图7为动臂修改后模型的三视图，其中，a)为主视图，b)为左视图，c)为右视图。图8为斗杆修改后模型的三视图，其中，a)为主视图，b)为左视图，c)为右视图。具体实施方式下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。挖掘机在工作时会遇到很多突发情况，研究时应结合动力学与静力学相结合的方式来进行优化模型的分析验证。本专利技术的优化挖掘机工作装置的方法主要包括以下步骤：(1)建立挖掘机工作装置的各个部件并组装模型；(2)多种典型工况的选取；(3)通过软件ANSYSworkbench进行各种工况下工作装置的静力学分析；(4)基于ANSYSworkbench中自带的拓扑优化模块进行优化设计；(5)通过对优化后模型的反复修改并结合静力学与模态分析相结合的方式进行验证。下面结合具体的实例进行说明。(1)建立挖掘机工作装置的各个部件并组装模型图1为工作装置结构示意图。图1中工作装置的主要结构包括：1车架、2动臂、3动臂液压缸、4动臂液压杆、5斗杆液压缸、6斗杆液压杆、7斗杆、8铲斗液压缸、9摇杆、10铲斗液压杆、11连杆、12铲斗。(2)多种典型工况的选取图2为挖掘机工作过程示意图。挖掘机工作装置是以三组液压缸为原动件的三自由度连杆结构，其工作过程主要包括空斗回转调整(挖掘位置)21、铲斗挖掘(挖掘作业)22、满斗提臂回转23以及卸载作业24等。图3为工作装置结构分析中的六种工况位姿图。工况一：A)斗杆油缸全部收缩且动臂与斗杆铰接点、斗杆与铲斗铰接点以及铲尖处于同一直线位置,铲尖与停机面重合，即最大挖掘半径位置。工况二：B)动臂油缸全部收缩，动臂与斗杆铰接点、斗杆与铲斗铰接点以及铲尖在一条直线上并竖直向下，即最大挖掘深度位置。工况三：C)三个工作油缸全部收缩位置。工况四：D)三个工作油缸均处于最大作用力臂位置。工况五：E)动臂油缸全部收缩，斗杆油缸处于最大作用力臂且动臂与斗杆铰接点、斗杆与铲斗铰接点以及铲尖在一条直线的位置。工况六：F)动臂及铲斗油缸全部伸出，斗杆油缸全部收缩，即最大卸载高度位置。(3)通过软件ANSYSworkbench进行各种工况下工作装置的静力学分析表1为工作装置在六种工况下的最大等效应力值列表。通过对六种典型工况下工作装置的最大等效应力对比，其中工况四位姿在偏载情况下产生的应力最大，故选取此工况位姿为拓扑优化的研究对象。表1通过对各个典型工况下工作装置的静力学分析可知：其最大等效应力远远小于材料的许用应力(345Mpa),工作装置存在优化的空间，且考虑实际工作情况故选取动臂与斗杆的侧板和盖板为优化区域。(4)基于ANSYSworkbench中自带的拓扑优化模块进行优化设计图4为工作装置设计区域与保留区域示图。图4中的41为动臂翼板、42为动臂支板、43为斗杆盖板、44为斗杆侧板Ⅰ、45为斗杆侧板Ⅱ。图5为拓扑优化后结构图。(5)通过对优化后模型的反复修改并结合静力学与模态分析相结合的方式进行验证图6为最终修改模型。图7为动臂修改后模型的三视图。图8为斗杆修改后模型的三视图。表2为优化前后模型的位移、应力及重量数据表。对比表2的数据可知优化后模型的最大位移由14.9mm变到了20.1mm，正载时的最大等效应力由245.6Mpa变到了252.8Mpa，偏载的则由变到了278.7Mpa变到了318.6Mpa，就优化后模型整体的变形与最大应力而言，此模型满足工作装置的刚度与强度要求。工作装置的重量由897.2Kg减小到了807.2Kg，减重率为10.1％。表2表3为优化前后模型的前六阶模态数据表。挖掘机所受到的外部激励主要源于发动机，挖掘作业时发动机全速运转所产生的激振频率远远大于其工作装置的固有频率，则处于挖掘作业时往往不会出现共振现象，而处于卸载作业时发动机处于怠速状态，其发动机转速降低产生的激振频率也随之降低，故选取最大卸载工况下的模型进行模态分析。通过表3中优化模型前后模态分析产生六阶模态数据与怠速所产生的激本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种优化挖掘机工作装置的方法，包括：/n(1)建立挖掘机工作装置的各个部件并组装模型；/n(2)选取多种典型工况；/n(3)通过软件进行各种工况下工作装置的静力学分析与模态分析；/n(4)基于拓扑优化模块进行优化设计；/n(5)结合静力学与模态分析对优化后的模型进行验证与修改。/n

【技术特征摘要】
1.一种优化挖掘机工作装置的方法，包括：
(1)建立挖掘机工作装置的各个部件并组装模型；
(2)选取多种典型工况；
(3)通过软件进行各种工况下工作装置的静力学分析与模态分...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，王虎奇，何海钊，
申请(专利权)人：广西科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45