本發(fā)明涉及一種礦用正鏟液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂及其制造方法，尤其是適用于400～600噸級(jí)的正鏟液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂裝置。

背景技術(shù)：

大型液壓挖掘機(jī)是礦石生產(chǎn)的重要設(shè)備，液壓挖掘機(jī)工作裝置是鏟裝巖石的執(zhí)行部件，由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、油缸等組成，工作裝置的性能與可靠性是整機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。為了提高挖掘機(jī)的采裝效率，降低生產(chǎn)成本，液壓挖掘機(jī)不斷朝著大型化、智能化方向發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)大型礦用正鏟液壓挖掘機(jī)高性能需求，本發(fā)明提出一種不改變動(dòng)臂強(qiáng)度、工作特性等條件，優(yōu)化并重新設(shè)計(jì)了動(dòng)臂裝置的結(jié)構(gòu)，并減輕了動(dòng)臂的重量，提高了工作裝置的整體性能與工作效率的一種礦用正鏟液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂及其制造方法。

本發(fā)明所述的一種礦用正鏟液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂，其特征在于：包括頂板、側(cè)板、底板、前擋板、后擋板、尾部箱體、多塊彼此平行布置的耳板以及多塊平行彼此布置的鉸接耳板，頂板尾部向一側(cè)翻折形成折角，并在頂板尾部安裝用于與挖掘機(jī)機(jī)體鉸接的尾部箱體；所述頂板的兩側(cè)邊沿分別與相應(yīng)的側(cè)板邊沿固接，所述頂板的前端邊沿、所述側(cè)板的前端邊沿分別與前擋板相應(yīng)的邊沿固接，所述頂板的后端邊沿、所述側(cè)板的后端邊沿分別與后擋板相應(yīng)的邊沿固接，所述側(cè)板的下邊沿、所述前擋板的下邊沿以及所述后擋板的下邊沿分別與底板相應(yīng)邊沿固接，所述頂板、側(cè)板、底板、前擋板、后擋板、尾部箱體共同圍成動(dòng)臂箱體；所述底板的前部安裝耳板，其中所述耳板分別與所述斗桿、所述鏟斗油缸以及所述動(dòng)臂油缸鉸接；所述底板上安裝用于與斗桿油缸鉸接的鉸接耳板。

所述底板的前部安裝4塊彼此平行的耳板，每塊耳板上設(shè)有第二安裝通孔、第三安裝通孔以及第四安裝通孔，且每塊耳板上相應(yīng)的通孔位置對(duì)應(yīng)，即所述第二安裝通孔同軸，所述第三安裝通孔同軸、所述第四安裝通孔同軸；內(nèi)側(cè)兩耳板之間裝有中間耳板加強(qiáng)板，位于內(nèi)側(cè)的兩塊耳板的第二安裝通孔之間裝有用于與斗桿末端箱體鉸接的加強(qiáng)軸；耳板的第三安裝通孔通過銷軸與鏟斗油缸的伸縮桿鉸接，鏟斗油缸底部與鏟斗鉸接；第四安裝通孔通過銷軸與動(dòng)臂油缸的伸縮桿鉸接，動(dòng)臂油缸的底部與挖掘機(jī)的機(jī)體鉸接。

所述底板的底面上安裝5塊鉸接耳板，每塊鉸接耳板設(shè)有用于與斗桿油缸鉸接的第五安裝通孔，所述第五安裝通孔同軸布置；最外側(cè)的兩個(gè)鉸接耳板分別與相鄰的內(nèi)側(cè)耳板之間裝有外側(cè)耳板加強(qiáng)板，內(nèi)側(cè)的鉸接耳板之間各配有一塊內(nèi)側(cè)耳板加強(qiáng)板。所述動(dòng)臂箱體內(nèi)設(shè)有兩塊彼此平行的加強(qiáng)箱體以及與加強(qiáng)側(cè)板，其中加強(qiáng)側(cè)板的上邊沿與頂板內(nèi)表面固接；加強(qiáng)側(cè)板的下邊沿與底板內(nèi)表面固接；所述加強(qiáng)箱體夾在加強(qiáng)側(cè)板之間，并且加強(qiáng)箱體的上表面與頂板固接，加強(qiáng)箱體的下底面與底板固接。

所述加強(qiáng)箱體的內(nèi)部設(shè)有至少一塊用于支撐的加強(qiáng)隔板，其中加強(qiáng)隔板的上下邊分別與加強(qiáng)箱體的上表面、下底面固接。

所述頂板的尾部裝有兩個(gè)尾部箱體，并且每個(gè)尾部箱體設(shè)有一個(gè)第六安裝通孔，兩個(gè)第六安裝通孔同軸，所述尾部箱體通過安裝在第六安裝通孔上的銷軸與挖掘機(jī)機(jī)體鉸接。

所述挖掘機(jī)指重量為400～600噸的正鏟液壓挖掘機(jī)。

如本發(fā)明所述的一種礦用正鏟液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂的制造方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)挖掘機(jī)的工作裝置原始模型，在三維設(shè)計(jì)軟件中建立動(dòng)臂三維幾何模型，即動(dòng)臂的CAD模型；

2)將動(dòng)臂的CAD模型導(dǎo)入到有限元軟件中進(jìn)行處理，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行殼單元網(wǎng)格劃分建立其相應(yīng)的網(wǎng)格模型，在特殊節(jié)點(diǎn)建立剛性連接單元；然后將網(wǎng)格模型導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)軟件中，施加相應(yīng)的約束、負(fù)載以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行工作裝置斗桿挖掘動(dòng)力學(xué)仿真，并輸出動(dòng)臂在結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大時(shí)動(dòng)臂的受力；

3)對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行四面體單元網(wǎng)格劃分建立其相應(yīng)的網(wǎng)格模型，并把動(dòng)臂分為設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域兩部分，通過在特殊節(jié)點(diǎn)建立剛性連接單元；設(shè)置動(dòng)臂的優(yōu)化變量、約束、目標(biāo)等參數(shù)，并進(jìn)行迭代優(yōu)化，獲得動(dòng)臂拓?fù)淠Ｐ停?/p>

4)對(duì)動(dòng)臂模型進(jìn)行有限元強(qiáng)度與失穩(wěn)分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)動(dòng)臂模型進(jìn)行校正，獲得新動(dòng)臂模型；

5)將新動(dòng)臂模型重新導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)軟件中，施加相應(yīng)的約束、負(fù)載以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行工作裝置斗桿挖掘多體動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)比新動(dòng)臂模型與為校正過的動(dòng)臂模型在同等挖掘工況下的比較仿真，確定新動(dòng)臂模型的性能優(yōu)越性和可行性，確定動(dòng)臂的仿真模型；

6)根據(jù)動(dòng)臂的仿真模型制造出相應(yīng)符合條件的零部件，并將相應(yīng)零部件進(jìn)行裝配，獲得最終完成的動(dòng)臂。

本發(fā)明的有益效果是：針對(duì)400～600噸級(jí)礦用正鏟液壓挖掘機(jī)的輕量化需求，本發(fā)明在不改變動(dòng)臂強(qiáng)度、工作特性等條件下，優(yōu)化并重新設(shè)計(jì)了動(dòng)臂裝置的結(jié)構(gòu)，并減輕了它的重量，提高了工作裝置的整體性能與工作效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明的鉸接耳板圖。

圖3是本發(fā)明內(nèi)部側(cè)板及內(nèi)部箱體結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明的內(nèi)部箱體結(jié)構(gòu)圖。

圖5是優(yōu)化前的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)圖。

圖6是優(yōu)化前的動(dòng)臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖7是優(yōu)化前動(dòng)臂安裝圖。

圖8是本發(fā)明優(yōu)化后的動(dòng)臂安裝圖。

圖9是優(yōu)化前動(dòng)臂CAE模型。

圖10是本發(fā)明的優(yōu)化后的動(dòng)臂CAE模型。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明

參照附圖：

實(shí)施例1本發(fā)明所述的一種礦用正鏟液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂，其特征在于：包括頂板1、側(cè)板2、底板3、前擋板4、后擋板5、尾部箱體6、多塊彼此平行布置的耳板7以及多塊平行彼此布置的鉸接耳板8，頂板1尾部向一側(cè)翻折形成折角，并在頂板1尾部安裝用于與挖掘機(jī)機(jī)體鉸接的尾部箱體6；所述頂板1的兩側(cè)邊沿分別與相應(yīng)的側(cè)板2邊沿固接，所述頂板1的前端邊沿、所述側(cè)板2的前端邊沿分別與前擋板4相應(yīng)的邊沿固接，所述頂板1的后端邊沿、所述側(cè)板2的后端邊沿分別與后擋板5相應(yīng)的邊沿固接，所述側(cè)板2的下邊沿、所述前擋板4的下邊沿以及所述后擋板5的下邊沿分別與底板3相應(yīng)邊沿固接，所述頂板1、側(cè)板2、底板3、前擋板4、后擋板5、尾部箱體6共同圍成動(dòng)臂箱體15；所述底板3的前部安裝耳板7，其中所述耳板7分別與所述斗桿9、所述鏟斗油缸10以及所述動(dòng)臂油缸11鉸接；所述底板3上安裝用于與斗桿油缸12鉸接的鉸接耳板8。

所述底板3的前部安裝4塊彼此平行的耳板7，每塊耳板7上設(shè)有第二安裝通孔71、第三安裝通孔72以及第四安裝通孔73，且每塊耳板7上相應(yīng)的通孔位置對(duì)應(yīng)，即所述第二安裝71通孔同軸，所述第三安裝通孔72同軸、所述第四安裝通孔73同軸；內(nèi)側(cè)兩耳板7之間裝有中間耳板加強(qiáng)板75，位于內(nèi)側(cè)的兩塊耳板的第二安裝通孔之間裝有用于與斗桿9末端箱體鉸接的加強(qiáng)軸74；耳板7的第三安裝通孔72通過銷軸與鏟斗油缸10的伸縮桿鉸接，鏟斗油缸10底部與鏟斗13鉸接；第四安裝通孔73通過銷軸與動(dòng)臂油缸11的伸縮桿鉸接，動(dòng)臂油缸11的底部與挖掘機(jī)的機(jī)體鉸接。

所述底板3的底面上安裝5塊鉸接耳板8，每塊鉸接耳板8設(shè)有用于與斗桿油缸14鉸接的第五安裝通孔81，所述第五安裝通孔81同軸布置；最外側(cè)的兩個(gè)鉸接耳板8分別與相鄰的內(nèi)側(cè)耳板之間裝有外側(cè)耳板加強(qiáng)板82，內(nèi)側(cè)的鉸接耳板之間各配有一塊內(nèi)側(cè)耳板加強(qiáng)板83。

所述動(dòng)臂箱體15內(nèi)設(shè)有兩塊彼此平行的加強(qiáng)箱體16以及與加強(qiáng)側(cè)板17，其中加強(qiáng)側(cè)板17的上邊沿與頂板1內(nèi)表面固接；加強(qiáng)側(cè)板17的下邊沿與底板3內(nèi)表面固接；所述加強(qiáng)箱體16夾在加強(qiáng)側(cè)板17之間，并且加強(qiáng)箱體16的上表面與頂板1固接，加強(qiáng)箱體16的下底面與底板3固接。

所述加強(qiáng)箱體16的內(nèi)部設(shè)有至少一塊用于支撐的加強(qiáng)隔板161，其中加強(qiáng)隔板161的上下邊分別與加強(qiáng)箱體16的上表面、下底面固接。

所述頂板1的尾部裝有兩個(gè)尾部箱體6，并且每個(gè)尾部箱體6設(shè)有一個(gè)第六安裝通孔61，兩個(gè)第六安裝通孔61同軸，所述尾部箱體6通過安裝在第六安裝通孔61上的銷軸與挖掘機(jī)機(jī)體鉸接。

所述挖掘機(jī)指重量為400～600噸的正鏟液壓挖掘機(jī)。

實(shí)施例2如本發(fā)明所述的一種礦用正鏟液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂的制造方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)挖掘機(jī)的工作裝置原始模型，在三維設(shè)計(jì)軟件如UG中建立動(dòng)臂三維幾何模型，即動(dòng)臂的CAD模型；

2)將動(dòng)臂的CAD模型導(dǎo)入到有限元軟件如HyperMesh中進(jìn)行處理，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行殼單元網(wǎng)格劃分建立其相應(yīng)的網(wǎng)格模型，在特殊節(jié)點(diǎn)建立剛性連接單元；然后將網(wǎng)格模型導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)軟件如ADAMS中，施加相應(yīng)的約束、負(fù)載以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行工作裝置斗桿挖掘動(dòng)力學(xué)仿真，并輸出動(dòng)臂在結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大時(shí)動(dòng)臂的受力；

3)對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行四面體單元網(wǎng)格劃分建立其相應(yīng)的網(wǎng)格模型，并把動(dòng)臂分為設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域兩部分，其中圖9中深色部分非設(shè)計(jì)區(qū)域，淺色部分為設(shè)計(jì)區(qū)域，通過在特殊節(jié)點(diǎn)建立剛性連接單元；設(shè)置動(dòng)臂的優(yōu)化變量、約束、目標(biāo)等參數(shù)，并進(jìn)行迭代優(yōu)化，獲得動(dòng)臂拓?fù)淠Ｐ停?/p>

根據(jù)不同約束下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，選擇拓?fù)鋬?yōu)化單元密度云圖材料分布清晰，無較多材料堆積，且應(yīng)力較小的拓?fù)浣Y(jié)果；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為概念設(shè)計(jì)模型，不滿足生產(chǎn)制造需求，且結(jié)構(gòu)應(yīng)力比原始結(jié)構(gòu)大很多，不滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。把不規(guī)則的曲面用平面和曲面替代，圓形柱體去除，用箱形梁代替，這樣利于加工制造；應(yīng)力大的地方可以通過增加隔板來緩解局部應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的動(dòng)臂CAE模型如圖10所示；

4)對(duì)動(dòng)臂模型進(jìn)行有限元強(qiáng)度與失穩(wěn)分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)動(dòng)臂模型進(jìn)行校正，獲得新動(dòng)臂模型：

動(dòng)臂裝置的實(shí)體重新設(shè)計(jì)，同樣采用鈑金材料焊接而成，然而大型板材構(gòu)件的穩(wěn)定性存在缺陷敏感性，設(shè)計(jì)的時(shí)候必須得考慮板材的穩(wěn)定性問題；通過給大型鈑金件焊加適當(dāng)距離的橫向隔板與縱向加強(qiáng)筋來提高構(gòu)件的穩(wěn)定性；

5)將新動(dòng)臂模型重新導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)軟件中，施加相應(yīng)的約束、負(fù)載以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行工作裝置斗桿挖掘多體動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)比新動(dòng)臂模型與為校正過的動(dòng)臂模型在同等挖掘工況下的比較仿真，確定新動(dòng)臂模型的性能優(yōu)越性和可行性，確定動(dòng)臂的仿真模型；

6)根據(jù)動(dòng)臂的仿真模型制造出相應(yīng)符合條件的零部件，并將相應(yīng)零部件進(jìn)行裝配，獲得最終完成的動(dòng)臂；

結(jié)果表明：同種工況下進(jìn)行作業(yè)，優(yōu)化后的動(dòng)臂比優(yōu)化前質(zhì)量減輕21.336％，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與原始動(dòng)臂保持一致，制造動(dòng)臂的焊板類型也減少了。同時(shí)，新動(dòng)臂較原始動(dòng)臂的整體結(jié)構(gòu)有了巨大的改變，整體空間減小，內(nèi)板數(shù)量也減少。動(dòng)臂優(yōu)化前與優(yōu)化后的三維模型，如附圖5與附圖1、2所示，優(yōu)化前后箱體內(nèi)部肋板分布如附圖6與附圖3、4所示。優(yōu)化前后工作裝置如附圖7與附圖8所示。

根據(jù)新舊動(dòng)臂的參數(shù)對(duì)比，新動(dòng)臂強(qiáng)度、穩(wěn)定性性能上與舊動(dòng)臂保持一致，重量減輕21.336％，減少了焊板的種類和數(shù)量，減少了焊接的次數(shù)與所占空間，提高了動(dòng)臂裝置的壽命和制造成本。輕量化的設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了材料、燃料與制造成本，而且提高了生產(chǎn)效率，因此該發(fā)明具有可行性與實(shí)用性。

本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。