Design and FEA of Face-Shovel Hydraulic Excavator's Semi-Elliptical Shaped Arm

摘要

建筑业对于许多产业都有经济意义，而挖掘作业是在建筑施工的一个重要环节。用于挖掘作业的挖掘机，通常在恶劣的环境条件下工作，并且在加载，卸载，升降等过程中，挖掘机要承受较大的载荷。在挖掘作业中，挖掘机的强度对于其效率、安全和快捷工作都很重要。正铲挖掘机作为矿山挖掘设备中的一个重要成员，对其有很高的设计可靠性要求。但是，对于地面行走的工程机械来说，需要较大的质量来满足严格的可靠性或强度标准，但这不利于挖掘机制造商，因为质量的增加会使制造成本上升。
　　 本论文的研究目的在于满足传统设计中应力要求的前提下，减少挖掘机重量。这可以通过改变横截面的矩形设计得以实现。本文主要对125吨正铲挖掘机斗杆的横截面进行设计。由于半椭圆形横截面具有较高的结构效率和抗扭刚度，我们选择其作为斗杆截面形状。本文用Pro/E建立模型，并在Pro/Mechanica中对模型的非极限挖掘位置进行分析，再通过静态有限元分析优化初始设计。然后用Ansa对最终设计模型划分网格，就得到了有限元模型。最后在Ansys中通过分析有限元模型的极限挖掘工况得出最终分析结果。所得结果与矩形中空横截面斗杆分析得到的结果进行比较。极限挖掘载荷下的模型最大应力是114MPa，而最大扭转应力是162MPa，与传统设计所得结果(最大应力值和最大扭转应力值分别是120MPa、157MPa)基本吻合。此外，极限工况下的位移量分别是3.4毫米和5毫米。椭圆形截面设计较矩形截面设计重量减少量达7.9％(由4487kg减少到4132kg)。
　　 本文为125吨正铲挖掘机斗杆截面形状的设计提出了半椭圆形截面的新理念，通过分析有限元模型达到减少重量的目的。这种设计也可以拓展到其他的工程机械，以实现总制造成本的最小化。