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挖掘机工作装置关节摩擦副动态接触特性分析

刘伟 王子健 陈雪辉 李昊 黄磊 王可朝 李威 何鸿斌

刘伟, 王子健, 陈雪辉, 李昊, 黄磊, 王可朝, 李威, 何鸿斌. 挖掘机工作装置关节摩擦副动态接触特性分析[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(10): 1630-1637. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220124
引用本文: 刘伟, 王子健, 陈雪辉, 李昊, 黄磊, 王可朝, 李威, 何鸿斌. 挖掘机工作装置关节摩擦副动态接触特性分析[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(10): 1630-1637. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220124
LIU Wei, WANG Zijian, CHEN Xuehui, LI Hao, HUANG Lei, WANG Kechao, LI Wei, HE Hongbin. Analysis of Dynamic Contact Characteristics of Joint Friction Pair of Excavator Working Device[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(10): 1630-1637. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220124
Citation: LIU Wei, WANG Zijian, CHEN Xuehui, LI Hao, HUANG Lei, WANG Kechao, LI Wei, HE Hongbin. Analysis of Dynamic Contact Characteristics of Joint Friction Pair of Excavator Working Device[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(10): 1630-1637. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220124

挖掘机工作装置关节摩擦副动态接触特性分析

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220124
基金项目: 

安徽省高校省级自然科学研究项目-重点项目 KJ2020A0489

安徽省重点研究与开发计划项目-面上攻关项目 202004a05020066

安徽省高校杰出青年科研项目 2022AH020025

详细信息
    作者简介:

    刘伟(1987-), 副研究员, 硕士生导师, 博士, 研究方向为机电产品摩擦学设计、机器人及智能装备, weiliu8202@163.com

  • 中图分类号: TH113

Analysis of Dynamic Contact Characteristics of Joint Friction Pair of Excavator Working Device

  • 摘要: 挖掘机工作装置关节摩擦副直接关系到挖掘机的作业质量以及产品可靠性。针对挖掘机在使用过程中出现关节摩擦副耳板外翻以及端面磨损严重问题, 建立工作装置动力学模型, 并基于ADAMS进行了动力学仿真, 得到工作装置3个主要承重关节载荷谱数据, 同时加以应变片实验验证, 确保动力学仿真结果的正确性。在此基础上, 基于动力学仿真结果载荷谱数据, 应用ANSYS对工作装置的动臂-底座关节进行动态接触特性仿真分析。结果表明: 工作装置在挖掘过程启动和结束时候存在较大突变载荷, 对耳板产生冲击; 接触端面的峰值应力远低于材料许用应力, 端面破坏主要是由疲劳破坏造成; 接触磨损区域主要集中于一侧端面外边缘处, 伴随着相互之间的黏附, 端面的磨损由外向内将逐渐延伸。研究结果为挖掘机工作装置关节端面碰撞冲击、磨损分析以及关节接触优化提供依据。
  • 图  1  挖掘机端面损坏图

    Figure  1.  Excavator section damage diagram

    图  2  工作装置动力学示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of working device dynamics

    图  3  各液压缸行程图

    Figure  3.  Diagram of various hydraulic cylinders′ stroke

    图  4  挖掘机外载荷图

    Figure  4.  Diagram of excavator′s external load

    图  5  工作装置关节载荷谱

    Figure  5.  Working device joint load spectrum

    图  6  测量原理及接线方式

    Figure  6.  Measurement principle and wiring method

    图  7  静力学分析确定测量点

    Figure  7.  Static analysis to determine measurement points

    图  8  实验准备完成

    Figure  8.  Experimental preparation

    图  9  测量点实验与仿真数据对比

    Figure  9.  Comparison of measurement point experiments and simulation data

    图  10  动臂后支承和平台处端面摩擦副的接触示意图

    Figure  10.  Schematic diagram of the contact between the rear support of the boom and the end face friction pair at the platform

    图  11  动臂-底座关节有限元模型

    Figure  11.  Finite element model of boom-base joint

    图  12  端面最大应力点动态曲线

    Figure  12.  Dynamic curve of the maximum stress point on the terminal face

    图  13  端面接触状态与应力云图

    Figure  13.  Terminal contact state and stress nephogram

    图  14  端面磨损实样图

    Figure  14.  Solid sample plot of terminal face wear

    表  1  实验主要仪器

    Table  1.   Main experimental instruments

    仪器 项目 数值
    实验机 整机质量/kg 1.2×103
    动臂长度/m 1.67
    斗杆/m 1.15
    铲斗容量/m3 0.045
    电阻值/Ω 120
    三轴应变花120-3CA 基底尺寸/mm 10.5×10.5
    丝栅尺寸/mm 3.0×2.0
    灵敏度 2.0
    DH3 818Y应变仪
    PC数据回收端
    采样率/Hz 1/2/5
    应变片连接专用排线 线外径/mm 1.6
    镀锌铜芯线/根 17
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    表  2  实验与仿真峰值误差对比

    Table  2.   Comparison of experimental and simulation peak errors

    参数 测量点
    1 2 3 4 5 6 7
    实验值/MPa 66.32 57.57 45.79 122.36 40.18 55.27 86.85
    仿真值/MPa 69.51 59.14 46.18 155.15 41.85 59.07 87.11
    误差率/% 4.81 2.73 0.85 26.80 4.16 6.88 0.30
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    表  3  35钢材料属性

    Table  3.   Material properties of 35 steel

    杨氏模量/GPa 泊松比 密度/(kg·m-3)
    212 0.31 7 850
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  • 收稿日期:  2021-08-29
  • 刊出日期:  2023-10-25

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