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液壓挖掘機在挖掘過程中負載變化劇烈，其各部件承受著各種惡劣工況下載荷的作用，其強度、可靠性和耐久性直接關系到挖掘機的工作性能和工作效率，因此對挖掘機進行工況研究和強度分析具有非常重要的意義。本文建立了某型挖掘機的動力學模型及整機有限元分析模型，通過虛擬試驗得到各種危險姿態(tài)，并通過強度分析，確定出挖掘機最惡劣的工作姿態(tài)。
在挖掘機動力學模型中，為了避免過約束及模擬挖掘機工作裝置實際運動情況，部分工作裝置間采用球鉸連接或是Bushing連接代替銷軸連接，Bushing均只保留所需方向的自由度；上車部分各部件之間均采用固定副連接，與實際相符；因為下車部分各部件間的運動與本次分析無關，從減少計算時間考慮，下車部分各部件之間同樣均采用固定副；上車部分及下車部分連接的部件分別為回轉(zhuǎn)平臺與回轉(zhuǎn)支承，兩者之問設置為轉(zhuǎn)動副，與實際相符。如圖所示的挖掘機動力學從挖掘機實際情況分析，各油缸的伸長和收縮、回轉(zhuǎn)馬達的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)實現(xiàn)挖掘機工作狀態(tài)的變化，因此在各油缸缸筒與活塞桿之間設置力函數(shù)實現(xiàn)油缸的主動推力或限定推力，在網(wǎng)轉(zhuǎn)平臺與網(wǎng)轉(zhuǎn)支承間的旋轉(zhuǎn)副設置位移驅(qū)動函數(shù)實現(xiàn)工作裝置及上車部分的整體回轉(zhuǎn)。
在模型建立之前，需要根據(jù)分析目的，對三維模型進行簡化，具體原則如下：(1)除去一些不承受載荷的非關鍵螺栓、輸油管道、一些小掛件等小部件；(2)對三維模型中一些建議誤差予以天平或去除；(3)對很小的孔洞進行填補，例如原來為一些線路、非關鍵螺釘預留的孔洞；(4)對不在關鍵地方的倒角進行消除，比如鑄件的棱邊總是存在的倒角；(5)為了保證計算結果的精度，在各個部件的厚度或延伸方向上，至少有3層單元。(6)在一些過渡的地方，采用的網(wǎng)格單元數(shù)目要求能夠反映出原來幾何體的形狀。如圖所示，為挖掘機整機有限元模型，包括動臂、斗桿、鏟斗、上車架、回轉(zhuǎn)支撐、下車架等部件。其中，使用梁單元模擬動臂、斗桿、及鏟斗油缸；各部件均根據(jù)實際物理樣機建立連接關系。整機有限元模型包含157萬單元，最小雅閣比0.1，其中雅閣比0.7以上的單元占到99%以上。
本次共確定了3種工況，分別為挖掘工況、提升制動工況及回轉(zhuǎn)制動工況。在挖掘工況下，確定如圖所示的10種工作姿態(tài)。其中挖掘力均施加在鏟斗中齒齒尖，其力-向取決于挖掘機挖掘的方式，當挖掘機為鏟斗一挖掘時，挖掘力垂直于斗桿與鏟斗鉸接點、鏟斗中齒齒尖兩點連線，當挖掘機為斗桿挖掘時，挖掘力垂直于斗桿與動臂鉸接點、鏟斗中齒齒尖連線。挖掘工況10種工作姿態(tài)分別為：姿態(tài)1：動臂油缸、斗桿油缸作用力臂最大，鏟斗油缸處于最大挖掘力姿勢；姿態(tài)2：動臂油缸作用力臂最大，斗桿油缸全縮，鏟斗油缸處于最大挖掘力姿勢；姿態(tài)3：動臂基準線水平，斗桿垂直于地面，鏟斗油缸處于最大挖掘力姿勢；姿態(tài)4：動臂油缸全縮，斗桿垂直于地面，鏟一斗油缸處于最大挖掘力姿勢；姿態(tài)5：動臂油缸和斗桿油缸作用力臂最大，斗桿與動臂鉸點、斗桿與鏟斗鉸點、鏟斗中齒齒尖二點共線；姿態(tài)6：動臂油缸全縮，斗桿垂直于地面，斗桿與動臂鉸點、斗桿與鏟斗鉸點、鏟斗中齒齒尖三點共線；姿態(tài)7：動臂油缸全縮，斗桿與斗桿油缸鉸點、斗桿與鏟斗鉸點、鏟斗中齒齒尖三點連線并且垂直于斗桿油缸；姿態(tài)8：動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸均全縮；姿態(tài)9：斗桿油缸全縮，斗桿與動臂鉸點、斗桿與鏟斗鉸點、鏟斗中齒齒尖三點共線，調(diào)整動臂油缸使鏟斗齒尖位于地面；姿態(tài)10：動臂油缸全縮，斗桿油缸作用力臂最大，斗桿與動臂鉸點、斗桿與鏟斗鉸點、鏟斗中齒齒尖三點共線。在此工況下，確定如圖所示的2種工作姿態(tài)。此工況下，挖掘機受物料重力及回轉(zhuǎn)制動力，其中物料重力取滿載土重，作用于鏟斗質(zhì)心，方向為始終垂直向下；回轉(zhuǎn)制動力大小取決于不同姿態(tài)下挖掘機的回轉(zhuǎn)作用力臂的大小及最大回轉(zhuǎn)制動力矩，作用于鏟斗邊齒齒尖，方向為垂直指向紙面內(nèi)側。
提升制動工況2種工作姿態(tài)分別為：姿態(tài)11：斗桿油缸全縮，鏟斗油缸全伸，調(diào)整動臂油缸使斗桿與鏟斗鉸點離回轉(zhuǎn)中心最遠，則工作裝置及上車部分整體向右側旋轉(zhuǎn)900。姿態(tài)12：動臂油缸及鏟斗油缸全伸，調(diào)整斗桿油缸使鏟斗齒緣線水平，工作裝置及上車部分整體向右側旋轉(zhuǎn)900。在此工況下，確定3種工作姿態(tài)，如圖所示。其中回轉(zhuǎn)制動力均施加在邊齒齒尖，方向為垂直指向紙面內(nèi)側�；剞D(zhuǎn)制動力的大小取決于不同姿態(tài)下挖掘機的回轉(zhuǎn)作用力臂的大小及最大回轉(zhuǎn)制動力矩�；剞D(zhuǎn)制動工況下3種工作姿態(tài)分別為：姿態(tài)13：動臂基準線水平，斗桿及鏟斗斗緣線均垂直于地面。姿態(tài)14：斗桿油缸全縮，動臂與回轉(zhuǎn)平臺鉸點、斗桿與鏟斗鉸點連線水平，鏟斗斗緣線垂直于地面。姿態(tài)15與姿態(tài)11各油缸長度相同，只是載荷施加方法不同。
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