液压挖掘臂

液压挖掘臂（通用8篇）

液压挖掘臂 篇1

摘要：针对液压挖掘机工作装置中动臂模型设计时步骤繁琐、参数较多等问题,为了提高设计效率,利用数据库技术和UG软件的二次开发功能实现了液压挖掘机动臂模型的参数化设计。首先,通过UG软件对某型号挖掘机的动臂结构进行了建模;利用UG软件二次开发工具,并结合C++语言开发出了模型的控制程序和用户界面对话框;然后,运用数据库技术建立了动臂模型数据库,利用Access建立了动臂模型几何参数的数据库并注册了数据源;创建了对话框CDataChoice和CInsertDialog访问数据库,并调用模型的几何参数或对数据库中的参数进行了编辑和修改;最后,修改了系统的环境变量,通过输入或调用相关参数得到了所需模型。研究结果表明,该参数化设计方法可以大大简化建模过程,提高设计效率。

关键词：挖掘机,动臂,UG,二次开发,数据库

0 引 言

液压挖掘机的工作装置主要包括动臂、斗杆、铲斗和液压缸等,目前挖掘机广泛采用的是整体弯动臂,主要特点是挖掘深度大,有较大的动臂转角,可配用不同长度的斗杆,实现不同形式的挖掘。其结构形状为钢板焊接而成的矩形变截面封闭箱形梁,内部一般加筋板以增加强度和厚度[1]。动臂的设计一般是利用三维软件进行建模,然后再进行分析[2,3,4,5]。但是在设计过程中,设计参数较多,设计步骤繁琐,且目前对工作装置的参数化设计的研究还比较少,数据库技术也尚未应用到该设计过程中。

由于各型号挖掘机工作装置中动臂的结构形状基本相似,本研究利用UG的二次开发功能和数据库相结合的方法对动臂模型进行参数化设计,用户通过用户界面对话框修改或调用相应尺寸就可得到所需的模型,从而大大提高设计效率。挖掘机其他部件的设计可参考此过程,从而为后续的有限元分析、模型装配、虚拟仿真等环节节省大量时间,有效缩短整机的设计周期,提高市场竞争力。

1 动臂模型的建立

动臂的设计采用基于图形的参数化建模方法,参数化设计使用约束定义和修改参数化模型[6]。一些模型的尺寸用对应关系表示,不需用确定的数值,如变化一个参数值,就可自动实现其他相关参数值的改变,实现产品的快速造型,同时也保证了零件之间约束关系的一致性,便于产品的设计与参数修改,或者以此为模板进行系列化产品的参数化设计。模型的控制参数是在UG软件的“表达式”功能对话框中实现的,设计时,需要将模型几何参数的表达式或值全部输入表达式对话框中,然后对草图的每一条曲线进行尺寸约束和几何约束,以实现图形的全约束。UG/Open API和C++语言也是调用对话框中的参数对模型进行参数控制的,对话框中的一些参数表达式如图1所示。

在标准动臂的设计过程中,下动臂的长b是上动臂a的1.1～1.3倍,动臂弯角为110°～140°[7],因此在表达式中自定义为b=a×t1(a和t1为独立变量,b为非独立变量,t1的取值范围是1.1～1.3),用alpha1表示动臂弯角,取值范围是110°～140°。t1和alpha1的值是通过图1的对话框输入的,具体的取值由设计要求确定,本研究取t1=1.3,alpha1=140。由于设计最后对一些尺寸参数利用了镜像功能,只需输入一半的值即可,例如动臂的宽为40,在对话框中输入L3=20即可。详细尺寸如图2所示。

2 参数化程序设计

参数化程序设计是利用UG/Open API,UIStyler,MenuScript以及C++语言共同设计完成的。UG/Open API为UG软件与外部应用程序之间的接口,它提供了一系列函数的集合,通过C++语言编程来调用这些函数和过程,用户几乎能实现UG系统的所有功能; UIStyler是一个可视化编辑器,可以方便、快捷地创建与UG软件风格完全一致的对话框;MenuScript是UG软件提供定制菜单的专用模块,它允许用户使用ASCII文件方便、灵活地编辑UG系统的菜单,或为用户创建的应用程序定义自己的菜单。

2.1利用MenuScript建立菜单

菜单是人机交互最重要的方式之一,在UG软件开发环境中,通过它可以生成用户化的菜单,进而实现对UIStyler所编辑的对话框的调用。UG软件的菜单文件是扩展名为.men的文本文件,用记事本进行编辑,一般要保存在startup文件夹下,文本内容如下:

VERSION 120

EDIT UG_GATEWAY_MAIN_MENUBAR

BEFORE UG_HELP

CASCADE_BUTTON gongzuozhuangzhi_menu

LABEL 挖掘机工作装置的参数化设计

END_OF_BEFORE

MENU gongzuozhuangzhi _menu

BUTTON dongbi

LABEL 动臂

ACTIONS dongbi.dlg

END_OF_MENU

其中,ACTIONS后面为菜单要执行的动作,菜单编写完成后需要修改环境变量,具体操作是:右键选择“【我的电脑】—【属性】—【高级】—【环境变量】”,注册环境变量,其中【变量名】为UGII_USER_DIR,【变量值】为自定义目录。

2.2利用UIStyler设计用户界面对话框

本研究打开用户界面样式编辑器,按照设计要求选择控件,完成对话框的设计,同时添加如下5个回调函数: constructor_cb(实现对话框的初始化)、destructor_cb(完成函数调用时用户所定义的需要处理的工作)、ok_cb(模型的更新)、database_act_cb(数据库的调用)、 cancel_cb(对话框的撤销)。对话框的主要内容包括:模型几何尺寸参数、动臂数据库调用按钮以及几何尺寸参数的输入部分。对话框设计完成后保存在application文件夹下,生成的文件名为dongbi.c,dongbi.h,dongbi.dlg,将dongbi.c改为dongbi.cpp,其中菜单正是通过ACTIONS来调用dongbi.dlg文件实现对用户界面对话框的调用,其设计结果可参考图2中动臂的参数化设计对话框。

2.3利用UG/Open API和C++语言进行参数化设计

在C++语言程序中需要对头文件进行一下修改:①在程序中添加“#include ,#include ,#include ,#include”,它们分别包含了与UG/Open API中表达式、部件操作、模型创建与查询有关的函数和数据结构的定义以及C++语言的系统函数;②将#include 改为#include "dongbi.h",以实现对application文件夹中dongbi.h的调用。

程序中的主要函数如下:int DONGBI_constructor回调函数是在对话框启动UG软件前自动调用的,主要执行对话框的初始化功能,在constructor函数下需要调用UF_STYLER_set_value()函数[8]。其主要用于设置控件中的值,把程序中处理的数据结果返回控件中,为用户的输入提供响应,该函数只能在对话框中定义的回调函数中使用,之前通常都需要设置结构体UF_STYLER_item_value_type_t相应成员变量的值。

例如对动臂的弯角设置控件属性:

UF_STYLER_item_value_type_t data_set;

data_set.item_attr=UF_STYLER_VALUE;

data_set.item_id=DONGBI_ALPHA1;

data_set.value.real=arExpValue[3];

UF_STYLER_set_value(dialog_id,&data_set);

UF_STYLER_free_value(&data_set);

在int DONGBI_ok回调函数中要调用UF_STYLER_ask_value函数,它主要用于获取控件中用户输入的值,为程序提供数据传递功能,该函数也只能在对话框定义的回调函数中使用。例如对动臂弯角的具体操作为:

data[3].item_attr=UF_STYLER_VALUE;

data[3].item_id=DONGBI_ALPHA1;

UF_STYLER_ask_value(dialog_id,&data[3]);

最后需要对模型进行更新,具体操作如下:

for(int j=1;j<24;j++)

{ UF_MODL_edit_exp(exps_string[j]);

UF_MODL_update( ); }

程序编译链接完成之后启动UG,点击“动臂参数化建模”按钮,即可得到如图2所示的界面,在对话框中输入相关参数确定后即可得到所需模型。

3 动臂数据库的设计

本研究利用UG软件进行二次开发时,尽管UIStyler 编辑的对话框较为简洁,但也存在一些缺点,如:UIStyler中包含的控件较少,使用起来不太方便,有的功能甚至难以实现。另外UIStyler所生成的对话框只提供了图形交互界面的接口,而没有提供与数据库的接口[9]。因此,本研究可以利用UG软件二次开发和MFC相结合的方法使设计界面更加丰富,大大扩展UG软件二次开发的功能。 MFC(Microsoft Foundation Classes)是一个建立在Windows API之上的C++类库(C++ Class Library),意图是使Windows程序设计过程更有效率,一方面较好地屏蔽了Windows编程的复杂性,使Windows应用程序的设计变得简单,另一方面允许使用Windows的底层功能开发出高效的Windows应用程序,使MFC成为了一个强有力的Windows应用程序开发工具。该例中的具体设计过程如图3所示,下面对其部分过程进行详细说明。

3.1建立数据源

本研究利用Access建立动臂的几何尺寸参数并注册数据源, Access所具备的高效、可靠的数据管理方式,面向对象的操作理念,以及良好的可视化操作界面,使用户可以比较直观地学习并掌握数据库技术,进而获得设计开发小型数据库应用系统的能力。本节的具体操作是选择“【控制面板】—【管理工具】—【数据源】”命令,进入数据源注册界面进行注册。

3.2数据库信息的入库

在系统中对动臂数据信息的入库主要是在对话框类CDataChoice中通过SQL语句进行的,利用Insert语句来完成[10,11]。在CDataChoice类中的实现为:

void CDataChoice::OnBUTTONinsert()

if(!m_pdatabase->IsOpen())

{

MessageBox("数据获取失败!","提示",MB_ICONWARNING+MB_OK);return;

}

CInsertDialog AddDlg;

if(AddDlg.DoModal()==IDOK)

{

CString strnum=AddDlg.num;

……;

float h=AddDlg.h;

strsql.Format("insert into dongbi(编号,……,动臂中间高度h) values('%s',……,%f)",strnum,……,h);

try {

if(m_pdatabase->CanUpdate())

m_pdatabase->ExecuteSQL(strsql);

}

}

在CInsertDialog类中的实现:

void CInsertDialog::DoDataExchange(

CDataExchange*pDX)

{

CDialog::DoDataExchange(pDX);

DDX_Control(pDX, IDC_EDIT1, m_num);

……;

DDX_Control(pDX, IDC_EDIT24, m_h);

DDX_Text(pDX, IDC_EDIT1, num);

……;

DDX_Text(pDX, IDC_EDIT24, h);

}

BOOL CInsertDialog::OnInitDialog()

{

CDialog::OnInitDialog();

this->GetDlgItem(IDC_EDIT1)->SetWindowText

(" ");

……;

this->GetDlgItem(IDC_EDIT24)->SetWindowText

("");

}

为了完成UG软件对数据库的调用,还要注意以下几点:

(1)在dongbi.h和dongbi.cpp中分别添加void read_para_from_database(int dialog_id,void *str_mid)和 extern "C" DllExport bool choice_data_func(int dialog_id,void *str_mid,char *table),使其能够实现对数据库的调用。

(2)在int DONGBI_database_act_cb 函数中添加相应的回调函数,使UG软件能够调用MFC中的数据,例如动臂弯角的数据调用程序:

data.item_attr=UF_STYLER_VALUE;

data.item_id=DONGBI_ALPHA1;

data.value.real=atof(((char **)str_mid)[3]);

UF_STYLER_set_value(dialog_id,&data);

(3)将生成的dongbi.lib文件复制到动臂的参数化程序设计文件夹下。

(4)在动臂参数化程序的Link选项卡中添加libufun.lib、libugopenint.lib和dongbi.lib,编译连接后将生成的dongbi.ll文件复制到startup文件夹下。

4 系统实现

本研究利用参数化建模技术,并以UG软件和C++语言软件作为平台,开发了液压挖掘机动臂的参数化建模系统。首先,利用UG软件建模功能,建立了动臂的参数化模型;其次,基于UG软件的二次开发功能,利用UG/Open API和C++语言函数生成动臂参数化设计程序;然后利用数据库技术设计了动臂的模型参数数据库。

进入动臂参数化建模界面后,操作者单击图2中的动臂几何参数数据库按钮得到如图4所示的对话框,选择编号后确定,其数据即可显示在对话中,实现模型尺寸的快速修改。

若需要新的数据,则操作者通过单击入库按钮可得到如图5所示的对话框,输入模型的设计尺寸及编号,其数据将保存在Access表中,方便以后的调用。

5 结束语

本研究利用UG软件的建模和二次开发功能设计出动臂的参数化控制程序,使动臂的设计非常容易实现,大大提高了设计效率,并利用数据库技术完成动臂几何参数数据的添加与修改,仅需略懂UG软件的操作即可进行设计,在CAD/CAE的集成设计过程中大大降低了建模时间,同时也提高了分析的精度。

致谢

感谢纪老师在本项目中对我的指导,感谢河海大学对该项目的资助。

参考文献

[1]林慕义,史青录.单斗液压挖掘机构造与设计[M].北京:冶金工业出版社,2011.

[2]高佳宏,王琳,朱梅玲.液压挖掘机工作装置的三维设计[J].煤矿机械,2007,28(12):87-89.

[3]黄爱文,卢炎麟.基于Pro/E的反铲式挖掘机工作装置的建模与运动仿真[J].煤矿机械,2008,29(9):67-69.

[4]李琴.液压挖掘机的三维实体造型以及运动学仿真[J].机械工程与自动化,2010(6):72-73.

[5]尹成龙,牛多青.基于SolidWorks的挖掘机虚拟样机设计及工作装置运动仿真[J].机械制造,2009,47(4):15-17.

[6]郭克刚,张福生.基于Pro/E二次开发的挖掘机工作装置参数化建模[J].太原科技,2008(7):79-81.

[7]天津工程机械研究所《单斗液压挖掘机》编写组.单斗液压挖掘机[M].北京:中国建筑工业出版社,1986.

[8]侯永涛,丁向阳.UG/Open二次开发与实例精解[M].北京:化学工业出版社,2007.

[9]赵韩,张冰战,朱可.UG二次开发CAD系统MFC的调用方法研究[J].现代制造工程,2007(2):52-54.

[10]单忠伟.基于LPC2132&μC/OS-Ⅱ的液压试验测试系统[J].轻工机械,2010,28(4):80-82.

[11]黄勇.UG/Open API、MFC和COM开发实例精解[M].北京:国防工业出版社,2009.

液压挖掘臂 篇2

关键词：挖掘机动臂；盖板；侧板；装焊间隙

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0082-03

YC60型挖掘机动臂（以下简称：动臂）是YC60系列液压挖掘机的主要结构件之一，由于在焊接过程中，挖掘机动臂的盖板与侧板间的间隙有严格的要求，如间隙大于1.5mm时，就会影响到后续的焊接质量，严重时会导致动臂焊缝开裂，从而使整机性能受到影响。本文就如何减少动臂盖板装配间隙的新方法加以详述。

1 原减少动臂盖板间隙的工艺方法简介

动臂主体结构由左、右侧板和上、下盖板组成，如图1所示：

图1 YC60动臂结构示意图

以前为了保证盖板与侧板间的宽度尺寸，我们在装焊动臂上、下盖板的时候，都是依靠普通的C形夹具，用人力敲打C形夹具，使其夹紧动臂上、下盖板，从而消除间隙，让上、下盖板与侧板间的宽度尺寸满足装焊要求。原来的装焊方法如图2所示：

图2 原减少动臂盖板装配间隙示意图

由于板材的原因，每批制造盖板的原材料回弹系数都不一样，因此盖板成型时外形尺寸会出现误差。当盖板成型时的误差较大时，普通C形夹无法将盖板与侧板间的间隙消除，并且在使用一段时间后，会由于普通C形夹磨损，或者放置位置不当，从而很难保证动臂侧板与上、下盖板间的宽度尺寸。

通过以上数据看出2012年生产的YC60动臂盖板与侧板的间隙合格率极低，原工艺方法并不能有效减少动臂盖板装配间隙。

2 工艺改进方案

为了解决上述问题，对这一生产制造过程做现状分析后，决定对动臂盖板定位夹具结构进行攻关，最终设计出一个新型动臂盖板定位夹紧装置，如图3和图4所示：

1.螺栓；2.夹块1；3.C形夹；4.夹块2；5.螺母；6.连接头；7.吊耳；8.销轴；9.防松螺母；11.液压油缸；12.电动液压泵

图3 夹紧装置主视图

10.导向轴

图4 夹紧装置主视图

这个新型动臂盖板定位夹紧装置的工作原理是这样的：

（1）把此动臂盖板定位夹紧装置用在动臂装焊模上，确定上、下盖板间的宽度尺寸，使动臂的外形在装配中正确。

（2）夹块2在液压油缸的牵引下：当液压油缸伸长时，通过导向轴的导向作用，确定夹块1与夹块2之间的宽度尺寸，使动臂上、下盖板间的宽度在装配中正确，所以导向轴的长度尺寸不小于液压油缸的行程；当液压油缸收缩时，通过导向轴的导向作用，使夹块2完全收缩到与动臂脱离接触，使动臂在装配完成后容易退模。

（3）调整好夹块1、夹块2与动臂盖板的相对位置，确保动臂盖板定位夹紧装置在使用过程中不会与动臂主体相对运动，避免影响到装配尺寸的正确性。

（4）夹块1与夹块2在装配中配合：夹块1夹紧动臂上下盖板，使动臂上、下盖板在装配中宽度尺寸得到保证。

（5）在装配完成后，首先使液压油缸收缩，在液压油缸的牵引下，然后夹块2松开，使夹块1与夹块2均与装配好的动臂脱离接触，就可以将动臂盖板定位夹紧装置吊离。

3 新工艺方法实施与验证

经过1个多月的制作与试装，最终成功研制出一个新型动臂盖板定位夹紧装置，如图5所示：

图5 动臂盖板定位夹紧装置主体结构图

图6 新装置使用效果图

在与原来普通的C形夹具相比的情况下，新型动臂盖板定位夹紧装置由于采用了液压驱动，在装配的过程中可不借助人力，就可以轻松将动臂盖板与侧板之间的间隙消除，满足工艺要求。在动臂装焊完成后，使液压油缸反向动作，可不借助人力即可将夹块2松开，从而实现夹紧装置与动臂的分离，提高了工件质量，加快了液压挖掘机动臂的产出。

通过以上数据看出采用了新型动臂盖板定位夹紧装置后，新生产的动臂体盖板与侧板的间隙合格率已经达到了100%。

4 结语

按新工艺方案实施装焊后，经过一段时间的验证，发现新装焊的动臂盖板与侧板的间隙均已在合格范围内，为后续的焊接质量提供了坚实的基础。证明新制作的夹紧装置是可行的，在动臂的装焊效率与焊接的质量上都起了很大的改善作用。此外，该工艺方法可推广到同样因盖板装焊间隙过大而影响焊接质量的其他机型动臂，也可推广至装焊间隙过大的其他相近结构产品。

参考文献

[1] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M].北京：机械工业出版社，1992.

液压挖掘臂 篇3

1.动臂下降再生液压回路

(1)组成

某型挖掘机动臂下降再生液压回路主要由主泵Ⅰ、主泵Ⅰ调节器4、节流孔5、再生单向阀6、动臂控制阀8、动臂保持阀10、动臂保持阀的控制阀11、动臂缸12、主泵I负流量控制油路13、中位旁通油路14、节流孔15、中位溢流阀16等组成。如图1所示。

(2)工作原理

动臂下降分为2种工况:一是空载下降工况,二是负载下降(如挖掘作业)工况。空载下降时,动臂依靠自身重力下降,主泵I输出压力较低,动臂在重力作用下降落速度太快,此时动臂缸有杆腔可能产生吸空。动臂空载下降速度主要依靠调整主控制阀开度进行控制,即节流调速。节流调速会造成能量浪费,还会造成液压系统温度升高。

当操纵动臂空载下降时,动臂先导阀输出的先导二次压力油经PBb油口通过动臂下降先导油路7作用于动臂控制阀右端,推动阀芯左移,使动臂控制阀8工作于右位。此时主泵I输出的工作压力油通过主泵I的并联油路、负载单向阀LCb、动臂控制阀8流入动臂缸12有杆腔。同时动臂先导阀输出的先导二次压力油通过油口作用于动臂保持阀的控制阀11,使动臂保持阀10阀芯开启,接通动臂缸12无杆腔回油通道,动臂缸12无杆腔油液通过动臂保持阀10、动臂控制阀8的右位流回油箱。

1.先导泵2.主泵Ⅱ3.主泵Ⅰ4.主泵Ⅰ调节器5.节流孔6.动臂再生单向阀7.动臂下降先导油路8.动臂控制阀9.保持阀解除油路10.动臂保持阀动臂保持阀的控制阀12.动臂缸13.主泵Ⅰ负流量控制油路14.中位旁通油路15.节流孔16.中位溢流阀17.动臂下降过载溢流阀

当动臂举升后操纵动臂空载下降时,动臂控制阀8接通主泵Ⅰ主油路,动臂在自身质量作用下会快速下降,动臂缸12有杆腔因供油不足而形成负压。此时动臂缸12有杆腔进油压力小于回油压力,连接在回油与进油回路中的再生单向阀6在压力差的作用下开启,部分回油油液与主泵Ⅰ输出的压力油汇合流向动臂缸12有杆腔,使有杆腔得到更多的流量,以防止有杆腔产生负压。同时可保证主泵Ⅰ在输出较小流量时动臂下降速度较快,即节省功率,又缩短动臂下降时间,由此提高了作业效率。

此时主泵I输出工作压力油的另一路通过动臂控制阀8右位的节流孔5节流后,经中位旁通油路14、节流孔15流回油箱。因节流孔15的节流作用,在节流孔15之前建立了一定的油压,由中位溢流阀16限制其最高压力。此压力通过主泵I负流量控制油路13被引入到主泵I调节器4中,由此减小了主泵I输出流量,也就降低了其功率消耗。

在动臂挖掘或用动臂支车工况时,主泵I输出压力的大小取决于负载大小。此时再生单向阀6就会保持关闭状态,对正常工作油路不产生影响。若再生单向阀6关闭不严或保持在开启位置,主泵I输出的压力油就会在此处向回油油路泄漏,造成动臂下降挖掘无力,或者不能支起挖掘机。

2.斗杆再生液压回路

(1)斗杆液压回路组成

某型挖掘机斗杆液压回路由并联油路1、负载单向阀2、中位旁通油路3、强制再生阀控制油路4、强制再生阀5、斗杆控制阀6、再生单向阀7、斗杆缸8、斗杆收回先导油路9、斗杆外摆过载溢流阀10、斗杆收回过载溢流阀11、斗杆保持阀先导解除油路12、斗杆保持阀的控制阀13、斗杆保持阀14组成,其中斗杆再生液压回路主要由强制再生阀5、斗杆控制阀6、再生单向阀7、斗杆缸8、斗杆保持阀的控制阀13、斗杆保持阀14等组成,如图2所示。

(2)工作原理

斗杆再生液压回路也分为空载下降和负载下降(如挖掘)2种工况。当操纵斗杆收回时,斗杆先导阀输出的先导二次压力油经先导油口XAa1、斗杆收回先导油路9作用于斗杆控制阀6右端,推动阀芯左移,使斗杆控制阀6工作于右位。此时主油路接通,主泵Ⅰ输出的压力油P1通过并联油路1、负载单向阀2、斗杆控制阀6流向斗杆缸8无杆腔。同时斗杆先导阀输出的先导二次压力油通过Pa1油口、斗杆保持阀先导解除油路12,解除斗杆油路的保持功能,使斗杆缸有杆腔接通回油油路,油液经斗杆控制阀6到达强制再生阀5。

在斗杆自身质量作用下使斗杆快速下降,导致斗杆缸无杆腔压力下降形成负压,而有杆腔一端的压力相对升高。此时强制再生阀5阀芯在弹簧力和回油压力共同作用下向下移动,将斗杆缸8有杆腔回油通道关闭,斗杆缸8有杆腔的回油油液通过斗杆控制阀6内的再生单向阀7与主泵输出的工作油汇合流向斗杆缸8无杆腔,从而实现斗杆缸8有杆腔回油的再生功能。该功能有效降低了斗杆缸无杆腔出现负压而形成真空的可能性,避免了斗杆运动过程中因供油不足导致的暂停现象,使斗杆缸8活塞杆伸出速度加快。

1.并联油路2.负载单向阀3.中位旁通油路4.强制再生阀控制油路5.强制再生阀6.斗杆控制阀7.再生单向阀8.斗杆缸9.斗杆收回先导油路1 0.斗杆外摆过载溢流阀1 1.斗杆收回过载溢流阀12.斗杆保持阀先导解除油路13.斗杆保持阀的控制阀14.斗杆保持阀

当铲斗进入挖掘工况即斗杆处于负载工况时,斗杆缸无杆腔压力升高,斗杆液压回路供油压力随之升高,斗杆控制阀6内的再生单向阀7反向截止,再生回路关闭。此时斗杆缸无杆腔完全由主泵供油,而回油油路上的强制再生阀5因系统压力升高向上移动,将斗杆缸有杆腔的回油通路开启,实现斗杆缸有杆腔回油。

3.故障排查实例

(1)动臂带载下降无力

故障现象1台住友SH210-5型掘机转场爬平板车时,因平板车无爬梯,需用动臂下降支起履带爬上平板车,但用该机动臂支撑时支撑无力,无法将履带支起所需高度,该挖掘机其他动作均正常。

原因分析根据故障现象结合图1分析,能够造成动臂下降无力的原因主要有以下4个方面:一是动臂下降先导油路存在故障,二是动臂下降过载溢流阀存在故障,三是动臂保持阀存在故障,四是动臂再生单向阀存在故障。

故障排查首先,采用互换方法将动臂上升先导油路与动臂下降先导油路互换后试机,故障现象依旧,说明动臂下降先导油路正常。

其次,采用互换方法将斗杆收回过载溢流阀(见图2)与动臂下降过载溢流阀互换后试机,故障依然存在,说明动臂下降过载溢流阀正常。

再次,采用互换方法将动臂保持阀与斗杆保持阀互换,故障现象仍然没有改变,说明动臂保持阀正常。

接着,根据以上排查结果,结合图1分析,我们认为最大可能性是动臂再生单向阀存在故障。这是因为在动臂下降过程中,若动臂再生单向阀泄漏,可造成来自主泵I的压力油通过此阀直接流回液压油箱,导致流向动臂缸有杆腔的压力油无法建立所需压力。

然后,用压力表测量动臂下降支起履带时动臂缸的最大压力仅为22.8MPa,低于32MPa的正常溢流压力,说明动臂再生单向阀存在故障。

最后,拆下动臂控制阀阀芯,从该阀芯内部拆卸动臂再生单向阀,发现该单向阀磨损严重,与阀座无法形成密封。更换该单向阀后试机,故障现象消失。

(2)斗杆带载收回无力

故障现象1台XE210C型挖掘机单独操纵斗杆收回动作时,速度缓慢且挖掘无力。当斗杆收回到垂直地面时,还会出现短暂的自由摆动现象。工作装置其他动作均正常。

原因分析该故障为斗杆单方向动作不正常,可将故障范围缩小到斗杆收回先导油路及其工作油路上。结合斗杆再生液压回路工作原理(见图2)分析,引起斗杆收回不正常的原因可能有以下2个方面:一是斗杆收回先导压力偏低,二是向斗杆无杆腔供油的主油路压力偏低。

故障排查首先,测量斗杆二次先导压力。在操纵斗杆收回时测量其二次先导压力正常(3.85MPa)。

其次,测量斗杆溢流压力。在斗杆外摆时测量溢流压力正常(31MPa),在斗杆收回时测量溢流压力异常(20 MPa),由此推断斗杆收回过载溢流阀存在故障。

再次,采用互换方法将溢流压力正常的斗杆外摆过载溢流阀与斗杆收回过载溢流阀互换,故障现象依旧,由此确认斗杆收回过载溢流阀无故障。

然后,根据以上排查结果,结合图2分析,我们认为如果斗杆缸存在内泄漏,会造成斗杆外摆和收回2个方向工作缓慢无力,但是排查结果是斗杆外摆正常,说明斗杆缸正常,初步判定再生单向阀存在故障。斗杆控制阀阀芯内部有1个再生单向阀,若该单向阀反向封闭不严,就会导致斗杆收回工作压力油在此处直接泄漏回液压油箱,引起斗杆收回工作缓慢无力。

车载液压机械臂结构分析及设计 篇4

机械臂系统一般由执行系统、驱动系统和控制系统三大部分组成。

执行系统是可以将工作对象取放到目标位置处或对其进行操作的机械装置,由末端执行器、腕部、臂部和机座组成。其中,末端执行器是与工作对象接触以完成操作任务的装置。腕部主要用来确定末端执行器的位姿(方位和姿势)和扩展机械臂的臂展,某些机械臂可以没有腕部而将末端执行器直接安装在臂部的末端。臂部一般由关节和连杆组成,是用以携带腕部与末端执行器,使末端执行器到达目标位置的部件。机座主要将整个机械臂机构与其他机构或地面连接在一起,是执行系统中相对固定并能承受相应的力的部件。

驱动系统是机械臂系统的动力装置,用以向各个运动部件供给动力,动力源一般为液压、气压或电气。液压驱动具有在一定的作业空间内提供大驱动力和驱动力矩的能力,调速简单平稳,能够实现无级调速,在安全阀的作用下还可简单有效地实现过载保护,已经被大多数车载机械臂所采用。气压驱动具有快速、气源方便、缓冲作用好、无污染等特点,但其工作压力偏低,功率重量比小,速度不易控制,噪音大,冲击大,一般用于驱动力较小、精度要求不高的场合。电气驱动的特点是电源方便,利用电动机产生力和力矩,功率重量比较大,信号传递迅速精准,响应快,效率高。

控制系统是机械臂的操控中心,控制驱动系统驱使执行系统按预定动作完成任务。

2 机械臂的分类

机械臂可以根据其坐标方式、驱动方式、关节连接方式以及用途进行分类。

坐标方式是指机械臂在运动时所取的参考坐标系的形式,主要有直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型和关节型。

(1)直角坐标型机械臂通过在直角坐标轴上的移动来使末端执行器到达预定位置,这种动作使其形成一种“伸缩—伸缩—伸缩”的运动形式。其特点是结构相对简单,定位精度较高,运动轨迹由立方体首尾相连的直角边组成,直观性强,但所占空间较大而工作范围较小,且惯性大,灵活性差。

(2)圆柱坐标型机械臂是由直角坐标型机械臂机座位置的移动副改变成回转副而得来。圆柱坐标型机械臂的运动形式为“回转—伸缩—伸缩”。与直角坐标型相比,在相同的条件下所占空间较小,其他特点基本相同。

(3)极坐标型机械臂在运动中存在回转、仰俯、伸缩动作,工作空间可以形成一个球体,又称为球坐标型机械臂。该型机械臂的主要特点是结构紧凑,刚度好,具有较大的抓持能力,末端执行器活动灵敏、运动范围大,但结构较为复杂,运动精度较低,且运动控制困难。

(4)关节型机械臂的运动主要由旋转与回转两种形式组成,其特点是动作灵敏、通用性强,在相同的工作条件下运行范围最大,能够抓取靠近机座的工作对象,同时可拟合操作空间内的任意曲线。

根据驱动方式可将机械臂分为液压驱动、气压驱动、电力驱动、机械传动等类型。根据关节连接方式可分为串联结构、并联结构、混联结构型机器臂。串联型机械臂因其具有动作灵敏、通用性强等与关节型机械臂相似的结构特点,在工业领域中受到广泛应用。根据用途可将机械臂分为专用机械臂、通用机械臂两类。

3 车载液压机械臂的设计依据和性能要求

本课题所研究的对象———车载液压机械臂的设计参数如表1所示,它的主要任务是使用专用夹持器夹持大小为准560×H900的工件进行转载作业。经调研发现,市场上没有能够完全满足公司转载工作要求的车载机械臂,要么最大臂展不够,要么最大转载能力满足不了需求。因此,需要专门设计一台这样的车载液压机械臂。

车载液压机械臂所要完成的是重物转载工作,在其设计过程中不仅有设计参数的限制,还有特殊的工作性能要求:(1)在质量条件满足的情况下,要有足够的刚度、强度,避免转载过程发生塑性变形,反复工作失去转载能力。(2)由于其安装在车辆上,空间有限,设计时要尽可能实现结构紧凑、体积小。(3)液压驱动不可避免地存在液压脉动频率,结构设计要避免发生共振现象,同时转载工作过程中不能出现明显的振动。

4 设计方案分析

本课题所研究的车载机械臂基本动作为:启动机械臂后,首先,机械臂整体旋转一定角度,使末端执行器转出车厢底板;然后,臂架伸展,同时使末端执行器下降,当末端执行器下降到一定高度后,末端执行器夹手张开,臂架前伸,夹手到达合适位置后夹紧工件,臂架携带末端执行器及工件上升,高度超出车厢底板后停止上升,臂架回转,使得工件处于车厢底板上方;最后,臂架前伸或后缩选择最优位置放置工件。

基于连杆机构为面接触的低副机构,具有接触面所受的压强小、能够承受较大的载荷、抵抗冲击能力强、组成连杆机构的各构件多为平面和圆柱面、便于加工制造、适应环境能力强、便于实现各种复杂的运行轨迹等特点。为实现上述基本动作,本课题选用连杆机构完成整体臂架系统的设计。比较各类机械臂的优缺点,考虑液压驱动的优点,本文所研究的对象将选用液压驱动方式的关节型机械臂。

在研究过程中发现:若使用摇臂钢索吊取工件进行转载,仍需要人工调整工件姿态及放置位置;若使用两个连杆组成臂架完成转载作业,虽然能完成转载工作,但臂杆要承受较大的应力,无形中增加了臂杆的壁厚,或者需要使用较贵的材料制作臂杆,并且两连杆的机械臂不能充分利用靠近机座的空间,造成了空间的浪费;四连杆机械臂也能完成公司的转载工作,但增加了控制难度,3 700 mm的最大臂展使用四连杆来实现,由于液压缸基本尺寸的限制,需要专门定制液压缸。因此,在研究过程中提出了两种三连杆结构的可行性方案,总体方案示意图如图1所示。

1—机座2—回转驱动装置3—连杆1 4—连杆1驱动液压缸5—连杆2 6—连杆2驱动液压缸7—连杆3驱动液压缸8—夹持器姿态控制液压缸9—连杆3 10—夹持液压缸11—夹持器12—转动关节

5 方案确定

以上两种方案均可满足公司的设计要求,但从车载液压机械臂设计的特殊工作性能要求考虑,方案二显然要比方案一更加合理,从方案示意图中便可看出,方案二在空间利用方面要优于方案一。方案一中由于连杆3驱动液压缸的限制,运动过程中连杆3和夹持器不能充分地接近机械臂机座,从而在转载结束时将工件放置在靠近机械臂机座的位置处,而方案二就不存在这样的问题。此外,在后续的研究中发现,依据方案一所设计出来的液压型机械臂低阶固有频率较低,极易受外界激励作用发生共振现象。因此,在后续的研究过程中将依据方案二完成各项研究工作。

参考文献

[1]李娜.考虑关节非线性的机械臂抓取动力学建模与分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

液压机械臂连杆有限元分析 篇5

连杆是液压机械臂的重要零、部件, 是关节之间连接的桥梁, 一个轻而可靠的连杆在工作中将产生较小的惯性力, 有助于减轻机械臂的轴承负荷及振动。然而采用常规设计难于使连杆达到既轻又可靠的要求, 传统用解析法对连杆所受的应力和应变情况分析, 解析误差太大。本文采用有限元分析技术, 建立液压机械臂连杆的有限元模型, 依次加载求解。首先进行静态分析, 计算出连杆的最大应力、应变和位移, 从而为连杆机构的优化分析提供了充分的理论依据;其次进行模态分析, 主要是研究连杆的振动特性, 得到固有频率和振型。振动现象是机械结构经常需要面对的问题之一, 由于振动会造成结构的共振或疲劳, 从而破坏结构, 所以必须了解结构的固有频率和振型, 避免在实际工况中因共振因素造成结构的损坏, 对复杂结构进行精确的模态分析将为评价现有结构的动态特性、诊断及预报结构系统的故障、新产品的动态性能的预估及优化设计提供科学的依据。

1 液压机械臂连杆有限元模型的建立

1.1 连杆三维实体模型的建立

利用有限元前处理模块进行建模工作。建模过程中, 采用由底向上的建模方式, 按照尺寸建立面后, 采用延伸的方式生成体。由于连杆的结构和载荷均对称, 分析时只采用一半进行分析, 这并不影响实际应力的分布;而且在建模前可对计算模型进行合理简化, 一些小的细节可不必在模型中体现, 这并不影响分析所要求的精度[2]。液压机械臂连杆的几何模型如图1所示。

1.2 连杆有限元模型的建立

根据结构特征实体建模[3]。采用自由网络化命令, 利用实体模型线段长度、曲率自动进行最佳网络化。在有限元中先对面进行划分网格, 生成2D网格, 然后采用拖动生成3D网格, 所得有限元模型单元为516, 节点数为2591。液压机械臂连杆的有限元模型如图2所示。

2 液压机械臂连杆有限元静力分析

2.1 线弹性有限元静力学分析基本理论

弹性力学基本公式用来描述均匀、连续、各向同性弹性体的位移、应变、应力间的相互关系以及它们与外负荷之间的关系, 因此是结构强度计算的主要依据[4]。

2.1.1 平衡方程

弹性体V域内任一点沿坐标轴x, y, z方向的平衡方程为:

其中为单位体积的体积力在x, y, z方向的分量。且有平衡方程的矩阵形式为:

其中, A是微分算子, 即:

是体积力向量

2.1.2 几何方程——应变-位移方程

在微小位移和微小变形的情况下, 略去位移导数的高次幂, 则应变向量和位移向量间的几何关系为

几何方程的矩阵形式为:

其中, L为微分算子, N为形函数, ae为单元结点位移列阵, B为应变矩阵。

B的分块子矩阵为:

由几何方程可知, 当弹性体的位移完全确定时, 应变也完全确定。

2.1.3 物理方程——应力-应变方程

弹性力学中应力-应变之间的转换关系也称弹性关系。对于各向同性的线弹性材料, 应力通过应变的表达式可用矩阵形式表示为:

其中D称为弹性矩阵

对于三维问题的弹性体来说, 总共有十五个未知量, 即三个位移分量, 六个应变分量以及六个应力分量。与此对应也存在十五个方程, 即三个平衡方程, 六个几何方程以及反映应力-应变关系的六个物理方程。上述方程的解析解只对相对简单的问题才能得到精确的结果, 对于复杂的问题通常用数值法求得近似解。有限元法是近代发展起来的应用最为广泛的数值解法。有限元法以位移分量为未知数, 求得位移后, 即可由几何方程计算应变分量, 再通过物理方程求得应力。常用的求解弹性力学问题有限元方法有两种:直接法和能量变分法。其中, 位移法使用的是最小位能原理或虚位移原理。

2.1.4 最小位能原理

对于离散模型, 系统位能是各单元位能之和, 其表达式可表示为:

其中分别称为单元刚度矩阵和单元等效结点载荷列阵。

令K和P分别称之为结构整体刚度矩阵和结构结点载荷列阵。则此时, 上式可表示为:

由于离散形式的总位能的未知变量是结构的结点位移a, 根据变分原理, 泛函取驻值的条件是它的一次变分为零, 即

这样就得到有限元的求解方程

求解此方程便可得到弹性体的整体位移, 从而根据几何方程及物理方程求得弹性体的应力和应变[5]。

以上表述的是基于弹性力学最小位能原理形成有限元求解方程的一般原理, 在具体计算时还涉及到单元刚度矩阵的形成, 单元等效结点载荷列阵的形成, 以及集合单元刚度矩阵和单元等效结点载荷列阵形成结构刚度矩阵和结构等效结点载荷列阵, 还有给定位移边界条件引入等问题, 这都是求解过程中不可或缺的组成部分。

2.2 加载并求解

根据使用情况, 对连杆进行边界条件及载荷的施加。边界条件施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结果的正确性、合理性。在实际工程中, 液压机械臂连杆的大孔是与轴承配合的, 而小孔的90°范围内受到面压力的作用。选取Y=0的所有面施加对称约束, 在小孔的内表面上施加6.89MPa的面压力, 如图3所示。将所有载荷加载完毕, 运行求解器, 进行静态结构有限元分析。

2.3 结果分析

将对自动划分的每一单元的节点进行计算。在结构分析完成后, 进入通用后处理器中浏览分析结果。通过计算得到连杆的位移、应力、应变分布情况。图4为连杆受力整体位移图;图5为连杆的等效应力云图;图6为相应的应变云图。

连杆所受最大应力为1695Pa, 位于在小孔顶部承载区范围内;连杆综合变形量最大为0.000123mm, 位置处在连杆小孔内表面处。

2.4 结论

1) 连杆应力计算中载荷施加的均匀性、对称性和准确性对杆身、大孔和小孔过渡区的应力计算结果有很大的影响。因此在有限元分析中, 科学的力学模型、准确的边界条件约束决定着分析结果的准确度。

2) 液压机械臂连杆危险断面小孔顶部和杆身的过渡区。

3) 应力分布图可以看出, 小孔表面是应力最严重的地方, 所以在设计连杆时, 小孔要有足够的壁厚。特别注意小孔与杆身过渡处的圆滑性, 应使该处的过渡圆角在合理的范围内尽量大些, 以减少该处的应力集中。

3 液压机械臂连杆有限元模态分析

3.1 连杆边界条件的施加

本文研究的是液压机械臂连杆在约束模态下的动态特性, 故边界条件的施加同静力分析中约束的施加。

3.2 连杆有限元模型的求解

由弹性力学有限元法, 经分析可得液压机械臂连杆振动系统的运动微分方程为:

式中:[M], [C], [K]—总体质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵

—结构的加速度向量、速度向量和位移向量

{F (t) }—结构的激振力向量

若无外力作用即{F (t) }=0时则得到系统的自由振动方程。在求解结构自由振动的固有频率和振型即求结构的固有频率和振型时, 阻尼对它们影响不大, 因此阻尼项可以略去, 这时无阻尼自由振动的运动方程为:

其对应的特征方程为:

式中:ω—系统的固有频率。求解 (3) 式即得系统的固有频率和振型。

3.3 液压机械臂连杆有限元模态分析结果

对液压机械臂连杆的有限元模态的求解, 一般不必求出振动系统全部的固有频率和振型, 而只须求出前面几阶低阶模态即可[7]。这是因为低阶模态对振动系统影响较大, 阶数越低、影响越大, 故通常取前5~10阶即可。在分析中求解了前十阶模态。固有频率值如表1所示, 振型图如图7~图17所示。

由上面所示各模态的动画显示可知, 第1阶振型是连杆沿X轴方向的侧向弯曲振动, 右侧振幅较大, 头部和尾部振幅较小;第2阶振型是连杆沿Y轴的垂直弯曲, 表现为中部发生上下振动;第3阶是连杆沿横轴 (X轴) 侧向弯曲, 连杆尾部向右振动幅度较大, 头部较小;第4阶振型是弯曲和扭转的组合变形, 连杆尾部振幅较大。第5阶振型是连杆垂直于Z轴弯曲和扭转变形;第6阶振型是Z轴垂直弯曲, 在尾部部有相对的扭曲振动;第7阶振型为头部扭转, 并伸缩变形;第8阶振型是侧向弯曲, 连杆尾部水平弯曲幅度大;第9阶振型是头部发生弯曲和沿X轴扭转变形;第10阶振型为弯曲变形, 连杆两侧向中轴线方向弯曲, 尾部受扭曲幅度大。

3.4 液压机械臂连杆模态分析小结

液压机械臂连杆一般只需计算较低的几阶频率, 因为高阶振型对结构的动力特性影响很小, 所以上面的分析为基础, 在对连杆的设计时, 主要考虑:

1) 使连杆低阶频率低于电机的运转频率, 以避免发生整体共振现象。连杆弹性模态频率应尽可能避开电机经常工作的频率范围。

2) 连杆振型应尽可能光滑, 避免有突变。弯曲振动对连杆强度的影响最大, 要提高支承架的弯曲刚度。

3) 通过前10阶振型可看出连杆小孔尾部及杆身过渡部分易产生变形, 是连杆的薄弱环节。可通过调整长度或改变横梁的截面形状及尺寸来实现连杆刚度的提高。

通过模态分析, 得到了连杆的前10阶固有频率和振型图, 为做连杆相应分析提供了重要的模态参数, 为改进和提高连杆的设计提供了理论依据, 也同时为实际试验提供了参考和依据。

4 结束语

本文的意义在于用有限元分析法变连续结构为离散结构, 取代了传统的理论分析。通过有限元分析软件可以比较精确地反映各点的受力情况, 进行静态分析, 计算出连杆的最大应力、应变、位移, 从而为连杆机构的优化分析提供了充分的理论依据;而模态分析主要是研究连杆的振动特性, 得到固有频率和振型, 避免在实际工况中因共振因素造成结构的损坏。虽然在面载荷的作用下产生的等效应力远小于其材料的许用拉应力和压应力值, 大孔的变形很小, 但是小孔的变形量非常大, 接近于许用的变形量, 故其有刚度不足的缺陷, 有必要对液压机械臂连杆进行结构改进, 以减轻重量、改善性能、节约成本。

参考文献

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[2]张铎泽, 侯发玲.195柴油机连杆有限元分析[J].内燃机与动力装置, 2007.

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[5]张云侠.3100QB柴油机机体结构静力与模态CAE分析研究[D].昆明理工大学, 2002.

[6]邓晓龙, 高虹亮.柴油机机体有限元建模及模态分析[J].三峡大学学报 (自然科学版) , 2005.

挖掘机动臂侧板裂纹的修复 篇6

1. 产生裂纹的原因

挖掘机动臂侧板产生裂纹的原因包括:原焊缝本身有气泡、夹渣和微小龟裂,在挖掘机超负荷工作时,原焊缝处会产生微小裂纹并慢慢扩大;焊接时焊条与板材的性能不符而产生裂纹;因挖掘机动臂体积较大,难以采用可靠有效的加热保温措施,焊后未能彻底除去焊缝周边母材淬硬区,导致焊缝强度下降;挖掘机作业过程中振动冲击较大,焊缝处受力不均使焊缝开裂。

2. 修复方法

焊前准备工作:用手砂轮将原焊缝裂纹处的油污、油漆、锈蚀等清除干净。用气刨机将焊缝裂纹刨割掉,刨割至侧板的本体,并将以往焊接的母材淬硬区清除干净。刨割后用角砂轮将切口打磨平整(内侧接口打磨出V形坡口),清洗、粉色检查后,确认裂纹已全部找到并清除干净。

根据现有维修条件,选用φ5 mm型号为E5015(J507)或E5016(J506)焊条,在350℃温度下烘烤2 h,再在100℃保温,防止焊条吸潮,随用随取;焊接电流190～230 A。由于挖掘机侧板厚度较大,焊接前应将焊接的部位预热至150～250℃;在焊接过程中,可采用分段、对称、倒退法施焊;在焊缝冷却过程中应不断用手锤对焊缝金属进行敲击,以消除应力;在侧板转角处施焊时,为避免、起落弧缺陷,宜连续施焊,以改善连接处的受力状况。

焊接结束后,彻底清除飞溅物、焊渣和焊瘤等,焊缝余高不得大于2.5 mm。对焊缝进行磁粉探伤检查,不允许有裂纹等缺陷。

3. 防焊缝锈蚀措施

将焊缝彻底打磨、除锈并涂以防锈漆。在挖掘施工现场,对于已有的锈蚀焊缝,可根据实际情况选择手工除锈,缺点是工人劳动强度较大,人工费用较高;亦可采用酸洗除锈方式,即以有机酸为主要基料,配以缓蚀剂、表面活性剂、除锈剂、防锈剂和成膜剂等复合材料,调制成具有除锈、防锈和底漆功能的酸洗溶液,通过清洗达到除锈和防锈目的。

挖掘机动臂提升缓慢故障的排查 篇7

1. 针对故障进行检测

(1)进行速度测试

在P (发动机最高转速)模式下,测试动臂提升速度,结果完成提升动作的时间为6.5 s,查服务手册中的技术数据,正常的提升时间为(2.6±0.3) s。测试其他动作如铲斗、回转、斗杆的速度,均在正常值范围内。

(2)进行压力测试

结果先导压力4.0 MPa,各动作的主溢流压力33.0 MPa,均正常。

2. 分析故障原因

该机液压系统原理如图1所示,由图1可知动臂提升缓慢有以下几种原因:

(1)铲斗或右行走的负载单向阀泄漏

若铲斗或右行走的负载单向阀泄露,将导致分流,影响泵的斜盘角度。检测方法:操作铲斗向外或向内到极限位置的同时,提升动臂,结果提升速度没变,因此可排除铲斗负载单向阀的问题。由于铲斗动作的速度测试为正常,右行走负载单向阀也应没问题。

(2)动臂操纵阀的阀芯动作不到位

动臂操纵阀的阀芯动作不到位的原因有阀芯卡滞、推动阀芯动作的先导油压力不够等。检测方法:单独操作动臂操纵阀手柄在全行程位置,测试Fr (负反馈压力检测口)的压力,接近为0。因此可排除这一原因。

(3)动臂提升的过载溢流阀泄油

检测方法:前面测试过动臂提升时的主溢流压力正常,因此也可排除这一点。如对过载溢流阀有怀疑,也可通过前、后过载溢流阀的置换来辅助诊断。

(4) P1泵没参与工作

动臂提升时,P1 (PL)、P2(PR)泵应同时给动臂缸供油。如果由于某种原因,P1泵没供油,或油没流到动臂缸,都是造成动作缓慢的原因。

若P1泵没供油。主要原因应是b口无压力油过来,P1泵斜盘角度过小,此时只有P2泵给动臂缸供油。该故障可通过动臂提升时检测P1泵是否有压力,或检测Fl(负反馈压力检测口)的压力来诊断。前面做过压力测试为正常,因此可排除这一点。

若合流逻辑阀故障,将导致P1泵的油流不能供给动臂缸。检测方法:首先在F (FINE)模式下(此时是P2泵单独供油),测试动臂提升速度结果完成提升动作的时间为6.9 s。结合我们前面在P模式下测试的速度为6.5 s,很可能P1泵没有给动臂缸供油,合流逻辑阀存在故障的可能性很大。拆掉合流逻辑阀的阀芯(见图2),测试动臂提升速度为2.8 s左右,正常。据此断定故障元件为合流逻辑阀。

3. 查找故障点

首先测试合流逻辑阀Pb处的压力,正常。因提升头外表面有有轻微拉痕,如果提升头卡滞,也会导致不能合流。用细砂纸轻轻打磨,去掉表面毛刺,直到提升头运动灵活。装上后动臂仍提升缓慢。

继续检查,发现图2中箭头所示的阀芯卡滞,很难动作。想办法将其拉出,用细砂纸打磨,直至动作灵活。装复试机,提升速度为2.8 s左右,正常。

挖掘机动臂的有限元分析 篇8

结构应力分析采用Pro/Mechanica软件, 利用该软件可分析出挖掘机动臂在几种典型工况下的应力、变形情况, 然后通过试验进行比较验证。

1 不利工况选择

本文参考相关资料, 选定三种静力计算典型工况。

1.1 工况一

挖掘机处于停机面最大挖掘半径处, 铲斗挖掘, 铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘。

该位置出现在斗杆油缸全缩, 铲斗齿尖、斗杆与铲斗铰接点及斗杆与斗杆油缸铰接点这三点处于同一直线上, 且大臂油缸缩进使铲斗齿尖处于地面上。

1.2 工况二

挖掘机处于最深挖掘位置处, 铲斗挖掘, 铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘。

此位置出现在动臂油缸全缩, 即动臂位置最低处, 此时斗杆与斗杆油缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点及铲斗齿尖在同一直线上且垂直于挖掘面。

1.3 工况三

大臂、斗杆处于最大受力位置处, 铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘。

大臂、斗杆最大受力位置出现在动臂油缸全缩, 斗杆与斗杆油缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点及铲斗齿尖在同一直线上且垂直斗杆油缸。

2 动臂铰接点处受力分析

实际结构中, 在挖掘机动臂各个铰点处, 作用在支座和销轴上的载荷不是集中载荷, 也不是简单的均布载荷, 为模拟实际情况, 根据实际经验作如下假定:

(1) 载荷在X-Y平面内在范围内按余弦分布;

(2) 分布力的方向为沿销孔表面的法向;

(3) 载荷在Z向均布。

3 建立几何模型

采用Pro/ENGINEER进行挖掘机的动臂的三维造型, 利用Pro/MECHANIACA STRUCTURE进行动臂的有限元分析。

4 动臂静力分析

根据不同工况, 分别对动臂进行静力分析。其主要步骤为:

(1) 定义材料属性

(2) 网格划分

Pro/MECHANIACA是基于P方法进行工作的。它采用适应性P-method技术, 在不改变单元格划分的情况下, 靠增加单元内的插值多项式的阶数来达到设定的收敛精度。

(3) 施加约束和载荷

分别以工作装置和动臂作为隔离体进行受力分析, 根据挖掘机最大挖掘力、动臂油缸及斗杆油缸最大推力等条件可求出动臂各铰支点受力, 并按照动臂建模坐标系方向分解, 对动臂施加静力载荷。在Pro/MECHANIACA中, 利用添加轴承截荷来等效各铰支点受力分布情况。

根据挖掘机动臂工作条件来模仿约束, 对动臂施加约束。本文选择动臂与平台的销孔点A及动臂与动臂油缸的销孔点B进行约束, 约束X、Y、Z三个方向位移, 并约束绕X、Y轴旋转, 只留Z方向旋转为无约束 (可在竖直面上绕销孔旋转) 。

5 计算结果及分析

在建立有限元模型并进行求解后, 观察和分析有限元的计算结果, 察看挖掘机动臂的应力、应变、位移情况。

5.1 工况一

工况一中动臂最大变形量为2.799厘米, 最大应力为240.9MPa, 与许用应力345MPa相比, 该工况位置的受力是安全的。

5.2 工况二

挖掘机处于铲斗挖掘, 铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘。

经计算, 工况二中动臂最大变形量为2.313厘米, 最大应力267.7MPa, 与许用应力345MPa相比, 该工况位置的受力是安全的。

5.3 工况三

工况三中动臂最大变形量为2.144厘米, 最大应力290.3MPa, 与材料许用应力345MPa相比, 该工况位置的受力安全。

6 结论

根据Pro/MECHANIACA计算可知, 在三种工况下, 挖掘机在工况三状态时, 即挖掘机处于动臂、斗杆最大受力位置, 挖掘机动臂的受力最大, 这也和工程实际相符, 工况三位置挖掘机动臂的受力依然安全, 由此可以得出, 本挖掘机动臂结构完全符合结构强度要求。

摘要：本文着重运用Pro/Mechanica软件对动臂进行结构动力学分析, 通过对挖掘机动臂三种最不利工况的具体分析, 来论证其结构是否符合强度要求。

关键词：挖掘机,动臂,Pro/EMECHANIC

参考文献

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