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摘 要：对于挖掘机等大型机械设备的伸缩臂结构来说，伸缩臂作为直接承载部件实现对物体的操作，并且在传统挖掘机的基础上进行了斗杆的改造，能够服务于地铁建设或其他清淤工作的深挖作业领域。目前市场上常见的伸缩臂类型有滑移式伸缩臂和套路式伸缩臂两种类型，但无论是哪种类型伸缩臂的结构设计始终都是技术领域的重点内容。
关键词：挖掘机;伸缩臂;结构设计
0.引言
挖掘机是当前工程建设领域的重要施工装备，其使用直接反映了施工机械化水平，所以高度重视挖掘机的改进创新对于提升产品质量满足现代工程的需求而言意义重大。在目前的结构设计过程当中，我们需要关注伸缩臂的斗杆设计和受力问题，然后附加伸缩油缸部分的设计和计算等。
1.伸缩臂的整体结构特性
1.1 整体设计
挖掘机的工作机构选择SolidWorks参数化进行建模实现合成，并且不同的伸缩臂类型有着不同的技术特征。例如套路式伸缩臂的主要优势就体现在工作距离非常长，且挖掘机的高度较高，能够让可伸缩工作特性的优势进一步发挥，通过臂幅的变化达到更高层次的作业水准。与此同时，由于伸缩臂结构比较灵活，在日常工作中可以跨越地形，尤其是在某些野外作业环节优势显著，工作安全性大幅提升，即便是在进行堆高作业时，也可以远离风险，在安全位置使用伸缩功能完成对货物的装载。在必要状态下也可以对零件进行更换。滑移式伸缩臂的技术优势主要是通过伸缩杆和滑块的作用，让物体在固定状态下进行滑移，因此结构简单且生产成本较低。不过由于该伸缩臂结构的行程比较小，一般会用在深坑作业挖掘机之上。
1.2 连接模式
从连接模式来看，伸缩臂包括外定臂、内伸缩臂、滑块滑轨、液压缸等结构，且外定臂之上安装的螺栓孔也会让液压缸一头可以直接与螺栓保持连接，另外一头则与内伸缩臂铰轴进行铰接，即液压缸能够通过行动来控制伸缩臂的活动范围。例如图1就是一个典型的挖掘机伸缩臂，图中1-铲斗，2-连杆，3-摇杆，4-铲斗油缸，5-伸缩斗杆。
液压缸的外定臂上的滑块能够在导轨配合滑动，避免润滑液在滑块和导轨之间泄漏，且内伸缩臂之上的导轨和外定臂上的滑块一直处于润滑液浸润过程当中，让液压缸的行程能够决定伸缩臂的可移动长度。如果我们要进行液压缸设计，那么假设液压缸的活塞杆行程为X，活塞直径为Y，那么L/d=X/Y，涉及到对活塞杆的稳定性验算工作。另外活塞杆的弯曲失稳负荷值也可以按照以下公式进行计算：
其中Fk是临界负荷，F是最大工件负荷，nk是安全系数。
因此在伸缩臂的工作过程当中，液压缸只会有伸缩方向的运动轨迹，活塞杆受到轴向压力的作用时，可能产生弯曲，当活塞杆最大工作负荷达到某一个临界值时，会出现压杆不稳定现象，影响液压系统的运作和伸缩臂的工作。
2.强度计算模型分析
由于伸缩臂工程机械在工作当中是通过伸缩臂的伸缩过程和俯仰运动来实现对于货物的搬运，此时伸缩臂的力学性能对于伸缩臂的起升能力会产生至关重要的影响。按照我们了解的叠加原理，在结构设计的过程当中需要提出整体的数学模型，将接触区域的臂体进行分离之后建立局部分析模型，将计算结果进行评估和对比。
2.1 伸缩臂结构强度计算
伸缩臂由两节或是两节以上可以伸缩的箱型臂体所组成，其中内外节的臂体通过安装在设备上的滑块来传递载荷。内节臂滑块安装在臂尾区域，而外节臂的滑块安装在臂头区域。在弹性变形的范围之内，伸缩臂结构的接触区域应力变化可以被认为是整体弯曲变形导致的应力叠加，基本臂和伸缩臂的长度和额定的起升载荷有关，各个节臂的自重作用点位于每个节臂的中间部位[1]。按照这一原理，我们可以将单节伸缩臂从整体臂体中进行分离之后再建立受力的数学模型，最终将其归纳并总结为整体模型。
如果要计算整体的弯曲正应力，那么在了解滑块对臂体的支反力之后就可以获取臂体截面上的弯矩和弯曲应力。外节臂受到局部载荷与约束弯矩的共同作用，且薄板小撓度从本质上看属于线性问题。因此在利用叠加原理之后就可以划分为不同受力条件下的矩形板问题，对应的是四边简支受到局部横向载荷作用，以及四边简支受到分布弯矩的作用。考虑到臂体之间的传递载荷沿着滑块表面的分布状况比较复杂，在假设不同的载荷分布状态之后可以获取不同类型的表达式获得多种局部应力求解模型，如果臂体之间的传递载荷沿着滑块均匀分布，那么薄板小挠度分析也可以利用叠加原理进行评估，否则就要通过未知量来获取各个板的挠曲面方程进行设计。
2.2 子模型法结构分析
由于工程机械当中存在大量的铰接和滑动连接问题，为了保证计算效率与结构设计时的精度，我们在进行结构分析时，会对接触连接结构进行一定的简化处理。此时导致简化处理的局部结构部位应力无法从整机分析模型当中获取，构建局部子模型展开二次分析是一种常用的解决方案，基于整机模型分析结果，提取边界条件并施加到子模型当中来求解局部应力，让计算结果和测试数据保持吻合，维持局部结构应力应有的计算精度[2]。
假设利用有限元法的机械结构展开有限元分析，会因为某些几何特征的忽略导致应力计算结果产生误差，此时要想对局部结构应力进行分析，就需要将结构特征在模型当中进行构建，不仅建模难度较大，且模型计算规模进一步增加。从实际的工作角度来看，通过简化处理过后，能够将整体模型和局部模型采用粗网格分析计算方法，利用等效载荷代替实际分布载荷，将应力状态和应变状态控制在较为准确的范围之内。综合来看，子模型分析技术的优势在于缩减了有限元实体模型所需要的复杂连接，保证了载荷施加时的准确程度[3]。
2.2 伸缩臂的结构优化
优化设计的基础是将需要优化的结构以数学模型的方式来表达，要进行伸缩臂结构优化设计，就要评估优化流程展开参数化建模。例如将已经完成分析文件当中的设计变量和状态变量进行统计之后，指定不同的优化方法对循环控制参数目标函数情况判定，确定是否要进行再次优化循环。例如对伸缩臂结构刚度和强度进行判定之后，就可以在确定总长度的前提下，对截面尺寸和臂体之间的相互搭接量展开计算，确定最终的优化设计变量。综合来看就是在选择连接优化方法进行伸缩臂体的优化之后，在所得结果之上再次使用一阶优化方法进行评估，获取数据建模结果展开进一步分析，得到等效应力信息。
3.结语
在今后的挖掘机伸缩臂结构设计工作当中，设计质量直接关系到设备的使用性能，所以本次研究以伸缩臂为分析对象，采用解析计算和数值模拟等方法对结构技术方案进行优化研究，旨在给工程建设提供技术支持，提升设备工作效率。
参考文献：
[1]薛占璞. 挖掘机伸缩臂结构设计[J]. 内燃机与配件， 2019， 295（19）：236-237.
[2]张镇， 邹志远. 凿岩台车伸缩臂油缸铰点设计及注意事项[J]. 世界有色金属， 2019， 519（03）：180-181.
[3]白鹏程. 用于移动带式输送机的桁架式伸缩臂的设计分析[J]. 机械管理开发， 2019， 34（06）：26-27，34.
（徐州拓途机械科技有限公司，江苏 徐州 221000）
关键词：挖掘机;伸缩臂;结构设计
0.引言
挖掘机是当前工程建设领域的重要施工装备，其使用直接反映了施工机械化水平，所以高度重视挖掘机的改进创新对于提升产品质量满足现代工程的需求而言意义重大。在目前的结构设计过程当中，我们需要关注伸缩臂的斗杆设计和受力问题，然后附加伸缩油缸部分的设计和计算等。
1.伸缩臂的整体结构特性
1.1 整体设计
挖掘机的工作机构选择SolidWorks参数化进行建模实现合成，并且不同的伸缩臂类型有着不同的技术特征。例如套路式伸缩臂的主要优势就体现在工作距离非常长，且挖掘机的高度较高，能够让可伸缩工作特性的优势进一步发挥，通过臂幅的变化达到更高层次的作业水准。与此同时，由于伸缩臂结构比较灵活，在日常工作中可以跨越地形，尤其是在某些野外作业环节优势显著，工作安全性大幅提升，即便是在进行堆高作业时，也可以远离风险，在安全位置使用伸缩功能完成对货物的装载。在必要状态下也可以对零件进行更换。滑移式伸缩臂的技术优势主要是通过伸缩杆和滑块的作用，让物体在固定状态下进行滑移，因此结构简单且生产成本较低。不过由于该伸缩臂结构的行程比较小，一般会用在深坑作业挖掘机之上。
1.2 连接模式
从连接模式来看，伸缩臂包括外定臂、内伸缩臂、滑块滑轨、液压缸等结构，且外定臂之上安装的螺栓孔也会让液压缸一头可以直接与螺栓保持连接，另外一头则与内伸缩臂铰轴进行铰接，即液压缸能够通过行动来控制伸缩臂的活动范围。例如图1就是一个典型的挖掘机伸缩臂，图中1-铲斗，2-连杆，3-摇杆，4-铲斗油缸，5-伸缩斗杆。
液压缸的外定臂上的滑块能够在导轨配合滑动，避免润滑液在滑块和导轨之间泄漏，且内伸缩臂之上的导轨和外定臂上的滑块一直处于润滑液浸润过程当中，让液压缸的行程能够决定伸缩臂的可移动长度。如果我们要进行液压缸设计，那么假设液压缸的活塞杆行程为X，活塞直径为Y，那么L/d=X/Y，涉及到对活塞杆的稳定性验算工作。另外活塞杆的弯曲失稳负荷值也可以按照以下公式进行计算：
其中Fk是临界负荷，F是最大工件负荷，nk是安全系数。
因此在伸缩臂的工作过程当中，液压缸只会有伸缩方向的运动轨迹，活塞杆受到轴向压力的作用时，可能产生弯曲，当活塞杆最大工作负荷达到某一个临界值时，会出现压杆不稳定现象，影响液压系统的运作和伸缩臂的工作。
2.强度计算模型分析
由于伸缩臂工程机械在工作当中是通过伸缩臂的伸缩过程和俯仰运动来实现对于货物的搬运，此时伸缩臂的力学性能对于伸缩臂的起升能力会产生至关重要的影响。按照我们了解的叠加原理，在结构设计的过程当中需要提出整体的数学模型，将接触区域的臂体进行分离之后建立局部分析模型，将计算结果进行评估和对比。
2.1 伸缩臂结构强度计算
伸缩臂由两节或是两节以上可以伸缩的箱型臂体所组成，其中内外节的臂体通过安装在设备上的滑块来传递载荷。内节臂滑块安装在臂尾区域，而外节臂的滑块安装在臂头区域。在弹性变形的范围之内，伸缩臂结构的接触区域应力变化可以被认为是整体弯曲变形导致的应力叠加，基本臂和伸缩臂的长度和额定的起升载荷有关，各个节臂的自重作用点位于每个节臂的中间部位[1]。按照这一原理，我们可以将单节伸缩臂从整体臂体中进行分离之后再建立受力的数学模型，最终将其归纳并总结为整体模型。
如果要计算整体的弯曲正应力，那么在了解滑块对臂体的支反力之后就可以获取臂体截面上的弯矩和弯曲应力。外节臂受到局部载荷与约束弯矩的共同作用，且薄板小撓度从本质上看属于线性问题。因此在利用叠加原理之后就可以划分为不同受力条件下的矩形板问题，对应的是四边简支受到局部横向载荷作用，以及四边简支受到分布弯矩的作用。考虑到臂体之间的传递载荷沿着滑块表面的分布状况比较复杂，在假设不同的载荷分布状态之后可以获取不同类型的表达式获得多种局部应力求解模型，如果臂体之间的传递载荷沿着滑块均匀分布，那么薄板小挠度分析也可以利用叠加原理进行评估，否则就要通过未知量来获取各个板的挠曲面方程进行设计。
2.2 子模型法结构分析
由于工程机械当中存在大量的铰接和滑动连接问题，为了保证计算效率与结构设计时的精度，我们在进行结构分析时，会对接触连接结构进行一定的简化处理。此时导致简化处理的局部结构部位应力无法从整机分析模型当中获取，构建局部子模型展开二次分析是一种常用的解决方案，基于整机模型分析结果，提取边界条件并施加到子模型当中来求解局部应力，让计算结果和测试数据保持吻合，维持局部结构应力应有的计算精度[2]。
假设利用有限元法的机械结构展开有限元分析，会因为某些几何特征的忽略导致应力计算结果产生误差，此时要想对局部结构应力进行分析，就需要将结构特征在模型当中进行构建，不仅建模难度较大，且模型计算规模进一步增加。从实际的工作角度来看，通过简化处理过后，能够将整体模型和局部模型采用粗网格分析计算方法，利用等效载荷代替实际分布载荷，将应力状态和应变状态控制在较为准确的范围之内。综合来看，子模型分析技术的优势在于缩减了有限元实体模型所需要的复杂连接，保证了载荷施加时的准确程度[3]。
2.2 伸缩臂的结构优化
优化设计的基础是将需要优化的结构以数学模型的方式来表达，要进行伸缩臂结构优化设计，就要评估优化流程展开参数化建模。例如将已经完成分析文件当中的设计变量和状态变量进行统计之后，指定不同的优化方法对循环控制参数目标函数情况判定，确定是否要进行再次优化循环。例如对伸缩臂结构刚度和强度进行判定之后，就可以在确定总长度的前提下，对截面尺寸和臂体之间的相互搭接量展开计算，确定最终的优化设计变量。综合来看就是在选择连接优化方法进行伸缩臂体的优化之后，在所得结果之上再次使用一阶优化方法进行评估，获取数据建模结果展开进一步分析，得到等效应力信息。
3.结语
在今后的挖掘机伸缩臂结构设计工作当中，设计质量直接关系到设备的使用性能，所以本次研究以伸缩臂为分析对象，采用解析计算和数值模拟等方法对结构技术方案进行优化研究，旨在给工程建设提供技术支持，提升设备工作效率。
参考文献：
[1]薛占璞. 挖掘机伸缩臂结构设计[J]. 内燃机与配件， 2019， 295（19）：236-237.
[2]张镇， 邹志远. 凿岩台车伸缩臂油缸铰点设计及注意事项[J]. 世界有色金属， 2019， 519（03）：180-181.
[3]白鹏程. 用于移动带式输送机的桁架式伸缩臂的设计分析[J]. 机械管理开发， 2019， 34（06）：26-27，34.
（徐州拓途机械科技有限公司，江苏 徐州 221000）