鏟斗的案例
Ansys ACT案例----挖掘機斗桿、動臂、鏟斗工作分析案例
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展開 CAT 320 挖掘機鏟斗 ￥10
JCB 4CX 土方鏟斗
SKLOP KA?IKE MIXER 3D PDF.pdf
2025年8月2日
該桶主要用于農業和花卉栽培中的整地，即粉碎以實現緊湊的結構。
MSC特檢行業應用案例（下篇）
主要分析鏟車大臂和鏟斗強度。
卡特彼勒工程機械分析
拖拉機前軸支撐件優化設計，Eicher 24馬力拖拉機前軸支撐件優化目標：
-減重
-簡化制造
-降低失效
天津建筑機械廠液壓挖掘機動臂結構分析
針對液壓挖掘機在使用過程中給出現的動臂斷裂問題，利用MSC PAtran和Nastran進行結構分析，根據分析結果，對結構提出優化改進方案，降低斷裂區域的應力水平，使挖掘機動臂滿足安全要求。
有限元模型圖
原始方案動臂整體及局部應力云圖
改進后整體和局部應力云圖
太原重型機械集團大型礦用挖掘機鏟斗結構特性分析
作為挖掘機上部工作裝置的主要部件之一，鏟斗直接切削、裝運和卸除物料，在挖掘過程中不僅直接受到沖擊和振動的作用，而且受到劇烈的磨損。鏟斗強度、剛度、耐磨性能及力學特性如何直接影響到挖掘機的工作可靠性和使用壽命。本文選擇幾種典型工況，應用MSC·MARC有限元分析程序對某大型礦用挖掘機鏟斗進行了有限元靜力計算分析，對鏟斗的力學特性有了一定的了解。期望能更好地了解礦用挖掘機鏟斗的結構特性，優化鏟斗結構，為同類型鏟斗設計提供理論依據。
鏟斗幾何模型圖
鏟斗有限元模型圖
開始挖掘時鏟斗應力和位移云圖
斗桿全部深處時鏟斗的應力和變形云圖
華強科技文化集團
分析需求
1、移動舞臺提升至最高位置，移動舞臺橫軸中心離地面25米處。
1）臺面水平，框架結構剛度、強度、穩定性。（重力+臺面外載）
2）臺面翻轉至垂直，框架結構剛度、強度、穩定性。（重力+臺面外載）
3）臺面水平，側向載荷。框架結構剛度、強度、穩定性。
2、移動舞臺提升至中間位置，移動舞臺橫軸中心離地面13米處。
-分析內容和工況同內容1。
3、移動舞臺強度和剛度分析
1）臺面水平，重力+外載。
展開 RecurDyn 與 AMESim 聯合仿真（液壓挖掘機鏟斗缸）
我試了一下用RecurDyn 與 AMESim 聯合仿真液壓挖掘機鏟斗的挖掘動作（RecurDyn模型在RecurDyn V7R5\Help\Manual\Tutorials\Professional\DOE_Batch中），仿真結果與RecurDyn單獨仿的結果基本一致，歡迎交流。
《絕地求生》中那些幫你“吃雞”的車輛，你pick哪一款？
想象一下，你在降落點幸運地發現了一臺WL56輪式裝載機，打開車門，坐上去，舉起鏟斗，開足馬力，當即開啟平趟模式，任你什么障礙物，鏟斗一到，輕松推開；有木倉彈來襲，就舉起鏟斗，怎么也能抵擋個幾十回合吧！然后沖過去一舉蕩平。
就這樣，一路以40公里的時速平穩駛向中心點，簡直就是bug一樣的存在啊！
又或者，增加一款挖掘機似乎也不錯。
選一臺約翰迪爾E130挖掘機，遇到什么小土包、小山丘甚至小河流，輕松越過，不在話下；遇有陡坡、巨石阻路，鏟斗一到，一舉挖平；長臂轉一圈，方面數米內更是無人敢靠近。唯一需要做的，就是一路哼著小曲奔向終點就行了。
當然，以上場景基本只能存在于想象中了，因為真讓這兩個bug一樣的存在加入游戲，驚險刺激的程度恐怕就要大打折扣了。所以，要想親身體驗裝載機和挖掘機的強大威力，還是要回到它們的老本行——土方施工領域。
自從2013年全面進入中國工程機械市場以來，約翰迪爾系列挖掘機、裝載機產品日益廣泛地應用于國內的基礎設施建設中。至今，約翰迪爾已向中國市場投放了包括E210/E210LC、E230LC、E240/E240LC、E260LC、E300LC、E330LC、E360/E360LC、E400LC、E140LC、E130在內的13種型號的挖掘機，以及WL53、WL56兩款5噸輪式裝載機。
約翰迪爾挖掘機與裝載機，土方施工的最佳拍檔
五年來，這些產品伴隨著散落在全國各地的成千上萬名用戶，正熱火朝天地投身于轟轟烈烈地建設大潮中，助其攫取人生財富，共建美好生活。
展開 Adams接觸定義指南：接觸參數調試案例
本案例為挖掘機鏟斗與貨車尾箱接觸的案例。
圖1 接觸案例
步驟1 應用赫茲理論計算剛度K
計算剛度K所需要的參數主要包括接觸單元的彈性模量，泊松比以及接觸球體半徑。本案例為挖掘機的鏟斗與礦車尾門的接觸，均為鋼材料，具體的參數如下：
通過上述的輸入，可以計算合成彈性模量E*的大小，根據計算公式：
可以計算得到合成的彈性模量E*=1.15E11 N/m2
挖掘機的鏟斗與尾門的接觸，鏟斗接觸單元為平面，故Rtooth=∞，而尾箱接觸單元為類圓柱形狀，Rtailgate=0.1m。根據如下公式：
計算得到等效半徑R=0.1m。
根據剛度計算公式：
可以推導出接觸剛度K=4.85E10N/m ；對于金屬材料的光滑實體，接觸指數可初步定義為e=3/2。接觸阻尼相對于接觸剛度相差兩個量級，同時計算的剛度K相比于默認值（默認值為1E8N/m）大兩個數量級，故最大阻尼系數的初始值可定義為1E6 N·sec/m，最大滲透深度dmax可初始定義為等效半徑R的1%，即dmax=1%*R=0.001m。根據上述各個參數的初始值進行第一次的仿真分析計算。
圖2 接觸力計算結果
步驟2 應用垂向接觸力計算滲透深度
根據垂向接觸力、等效半徑、合成的彈性模量以及滲透深度計算的公式，可以求解接觸過程中的滲透深度。
展開 高精度激光跟蹤儀大尺寸空間精度檢測工程機械部件
“動臂”位于裝載機鏟斗與車架之間，中間連接連桿、搖臂、轉斗油缸、動臂油缸等，是裝載機工作裝置中重要的結構部件。裝載作業時，動臂與車架、動臂油缸鉸接，用以升降鏟斗。
由于動臂長期承載了鏟斗、車架、油缸等多方外力的作用，因此，該部件的長期穩定，就成了重中之重，在生產制造過程中，對于該部件的檢測要求也更為嚴格。
激光跟蹤儀現場測量
在測量現場，先將GTS激光跟蹤儀架設在動臂周邊合適位置，將動臂數模導入測量軟件，在數模上選取一個平面及兩組圓柱，用靶球在實物上采集若干點擬合出對應的平面及圓柱特征，將實物與模型坐標系對齊，繼續測量其他特征即可對比實物與模型的差異。
法蘭直徑/圓柱度測量
圓形法蘭是工程機械設備中常用的一種工件，往往與其他工件配套使用，法蘭盤的尺寸及圓柱度，對于設備配套安裝至關重要。法蘭尺寸過大，會造成安裝間隙，影響設備的使用和長期穩定性；尺寸過小，又無法滿足安裝需求，給安裝帶來巨大的困擾；因此法蘭盤的精度測量，是設備生產裝配中非常關鍵的一環。
激光跟蹤儀現場測量
在測量現場，將GTS激光跟蹤儀安裝在法蘭盤周邊合適位置，用靶球在法蘭盤面上采集若干點，軟件再將所測量的點擬合成圓柱，然后分析圓柱的直徑及圓柱度。
結論
激光跟蹤儀對工程機械部件等需求高精度、大尺寸的檢測具有非常明顯的優勢，自主開發、獲得PTB認證的SpatialMaster空間大師測量軟件嚴格保證了擬合算法的精度和評價結果的準確性。目前GTS激光跟蹤儀已廣泛應用于包括工程機械、自動化設備制造、航空航天、軍工科研等諸多行業領域中，以用作高精度、大尺寸空間精度檢測的標準設備。
展開 Adams接觸定義指南：接觸參數調試案例
本案例為挖掘機鏟斗與貨車尾箱接觸的案例。
圖1 接觸案例
步驟1 應用赫茲理論計算剛度K
計算剛度K所需要的參數主要包括接觸單元的彈性模量，泊松比以及接觸球體半徑。本案例為挖掘機的鏟斗與礦車尾門的接觸，均為鋼材料，具體的參數如下：
通過上述的輸入，可以計算合成彈性模量E*的大小，根據計算公式：
可以計算得到合成的彈性模量E*=1.15E11 N/m2
挖掘機的鏟斗與尾門的接觸，鏟斗接觸單元為平面，故Rtooth=∞，而尾箱接觸單元為類圓柱形狀，Rtailgate=0.1m。根據如下公式：
計算得到等效半徑R=0.1m。
根據剛度計算公式：
可以推導出接觸剛度K=4.85E10N/m ；對于金屬材料的光滑實體，接觸指數可初步定義為e=3/2。接觸阻尼相對于接觸剛度相差兩個量級，同時計算的剛度K相比于默認值（默認值為1E8N/m）大兩個數量級，故最大阻尼系數的初始值可定義為1E6 N·sec/m，最大滲透深度dmax可初始定義為等效半徑R的1%，即dmax=1%*R=0.001m。根據上述各個參數的初始值進行第一次的仿真分析計算。
圖2 接觸力計算結果
步驟2 應用垂向接觸力計算滲透深度
根據垂向接觸力、等效半徑、合成的彈性模量以及滲透深度計算的公式，可以求解接觸過程中的滲透深度。
展開 設計仿真 | Adams接觸定義指南（三）：接觸參數調試案例
本案例為挖掘機鏟斗與貨車尾箱接觸的案例。
圖1 接觸案例
02
步驟1 應用赫茲理論計算剛度K
計算剛度K所需要的參數主要包括接觸單元的彈性模量，泊松比以及接觸球體半徑。本案例為挖掘機的鏟斗與礦車尾門的接觸，均為鋼材料，具體的參數如下：
通過上述的輸入，可以計算合成彈性模量E*的大小，根據計算公式：
可以計算得到合成的彈性模量E*=1.15E11 N/m2
挖掘機的鏟斗與尾門的接觸，鏟斗接觸單元為平面，故Rtooth=∞，而尾箱接觸單元為類圓柱形狀，Rtailgate=0.1m。根據如下公式：
計算得到等效半徑R=0.1m。
展開 無尾靈活+高效低耗成就設備王——SY35U微型挖掘機測評
結構件加強設計，皮實耐用故障少
SY35U鏟斗背面及側面都設計有防磨板，增大了工作強度;斗桿內外部加強焊縫，從容面對極端工況，采用比競爭對手更大的截面形狀，剛性更好，提高動臂抗變形能力。
SY35U鏟斗背面及側面都設計有防磨板，增大了工作強度，也提升了鏟斗使用壽命!
加強型四輪一帶，堅固可靠使用壽命長
四輪一帶方面，SY35U設計了四個支重輪和一個托鏈輪，用支重輪代替托鏈輪，采用雙邊安裝方式，改善了受力條件，結構更結實。
零部件觸手可及，維修保養方便又快捷
采用大面積覆蓋件開啟方式，打開后可站在地面進行日常維護和保養。空氣濾清器、燃油濾、機油濾觸手可及，保養十分方便。
駕乘舒適，操作簡便
“麻雀雖小，五臟俱全”，SY35U微挖雖然小巧，但其駕駛室依舊有著許多人性化設計，以充分減少機手的駕駛疲勞，座椅可調，符合更多機手身形，在右手操控平臺， 集中了啟動開關、油門、雨刷控制、燈光控制、收音機、空調開關燈，高集成度，操作更便捷。
隨著城鎮化的推進，作為微挖代表，SY35U如今已經成為很多用戶創業的優先選擇，價格適中，適用度高，使其已經成為微挖的無冕之王!2018年5月，三一與中國工程機械商貿網獨家合作，正式開啟了直銷模式，限時秒殺，23.8萬，更有多重好禮相送!
展開 基于Inspire的液壓挖掘機中部平臺主梁拓撲優化設計
根據實際工作載荷情況，主要有下面 3 種工況（見圖 4）：
圖 4 挖掘機典型工況
工況 A： 動臂位于動臂液壓缸對鉸點最大力臂處，斗桿液壓缸力臂最大，鏟斗液壓缸挖掘，動臂液壓 缸、斗桿液壓缸同時剛好過載；動臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，該工況下的載荷為重力和切向力。
工況 B：穩定計算位置之一，為可能使挖掘機向前傾翻、穩定系數最小時的位置。 一般可取動臂水平（前、后鉸點連線）斗桿垂直，鏟斗挖掘且切向挖掘力垂直。
工況 C：最大挖掘深度時，鏟斗液壓缸發揮最大挖掘力，動臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，鏟斗挖掘、動臂、斗桿油缸同時閉鎖。 該工況下的載荷為重力和切向力。
分析以上 3 種典型工況的工作狀態及平臺受力特點，工況 C 受力最大。 故選用 C 工況對中部平臺的主梁進行有限元分析和結構優化。
2.3約束和載荷的施加
回轉平臺支承于回轉支承之上，通過螺栓與回轉 滾盤相連。 考慮到平臺與滾盤連接處剛度較大，用剛性固定支承作為邊界條件，對支承襯板的連接面采用 固定約束。 對典型工況施加所有載荷和邊界條件。
2.4主梁結構分析
經過計算得到主梁應力云圖。 在工作過程中，主梁主要承受尾部的配重及與大臂相聯接處的鉸鏈載荷。在這兩種載荷的作用下，主梁易產生扭矩，引起回轉平臺扭曲，故左右兩梁的中間聯接板不在輕量化設計范圍內。 主梁的兩個側梁內部受力較小，不存在應力集中，且安全系數都在 10 以上，故對左右梁內部進行優化處理和輕量化設計。
3主梁優化設計
根據有限元分析結果，確定左右梁為設計空間，4 個鉸鏈孔定義為非設計空間。
展開 
設計仿真 | Adams進行關鍵結構通用化設計的工程價值
挖掘機由鏟斗、斗桿、動臂及各自的油缸，還有上部結構與下部支撐組成。團隊需要研究上部結構與下部支撐的連接，這是由一個回轉支承（帶內外圈的滾子軸承）完成的。它的作用不僅是傳遞載荷,而且實現了上部結構與下部支撐的旋轉運動。
轉動軸承的通用化設計有助于降低產品成本。使用傳統分析進行此項工作需要幾個月的繁瑣計算，而使用Adams進行真實載荷工況下的計算能夠快速驗證設計，縮短開發周期。
使用Adams的多體動力學方法
Adams運用了多體動力學的方法，首先使用約束、襯套、驅動及力對兩種挖掘機進行建模，為了更準確的接近物理樣機，模型包含了所有結構件及慣性載荷。活塞桿端和銷軸使用了直線副，其他銷軸使用了旋轉副，轉動軸承螺栓用襯套模擬，并在履帶與地面及鏟斗與地面設置了接觸，使用腳本進行仿真，進而獲取真實的運動。
根據測試及經驗，團隊確定了兩種載荷工況。一種是轉動-碰撞，能夠產生側向載荷；一種是釋放-抓取，能夠產生縱向載荷。
展開 Adams進行關鍵結構通用化設計的工程價值
挖掘機由鏟斗、斗桿、動臂及各自的油缸，還有上部結構與下部支撐組成。團隊需要研究上部結構與下部支撐的連接，這是由一個回轉支承（帶內外圈的滾子軸承）完成的。它的作用不僅是傳遞載荷,而且實現了上部結構與下部支撐的旋轉運動。
轉動軸承的通用化設計有助于降低產品成本。使用傳統分析進行此項工作需要幾個月的繁瑣計算，而使用Adams進行真實載荷工況下的計算能夠快速驗證設計，縮短開發周期。
使用Adams的多體動力學方法
Adams運用了多體動力學的方法，首先使用約束、襯套、驅動及力對兩種挖掘機進行建模，為了更準確的接近物理樣機，模型包含了所有結構件及慣性載荷。活塞桿端和銷軸使用了直線副，其他銷軸使用了旋轉副，轉動軸承螺栓用襯套模擬，并在履帶與地面及鏟斗與地面設置了接觸，使用腳本進行仿真，進而獲取真實的運動。
根據測試及經驗，團隊確定了兩種載荷工況。一種是轉動-碰撞，能夠產生側向載荷；一種是釋放-抓取，能夠產生縱向載荷。這兩種工況能夠對轉動軸承產生最極端的載荷，進而傳遞到軸承螺栓上。
在轉動-碰撞工況，將轉動馬達的力矩作為輸入，在轉動速度作用下鏟斗將會與固定塊產生撞擊，從而在轉動軸承處產生極大的力及力矩。在釋放-抓取工況，施加了慣性力，使用驅動對油缸進行加載，從原始位置開始，直到斗桿伸展到最大位置并停止，然后在重力作用下釋放。
對基礎模型進行測試
在通用化項目之前，團隊已經做了基礎模型的設計，包含基礎模型的CAD。多體模型從現場操作及試驗中獲取信息，并產生載荷。這些載荷將被用到最終評價軟件中，從而獲取應力信息并與實際的測試數據進行對比。在應力層面進行對比，是因為每個部件都可以獲取應力。
展開 快速了解離散元仿真軟件Altair EDEM（與多體/有限元/流體軟件實現耦合）
借助EDEM與MotionSolve的雙向耦合，可以分析挖掘機的鏟斗在不同操作工況下的載荷，評估挖掘深度、鏟斗裝載率、結構件載荷分布、動力系統匹配等。
2、與FEA（有限元分析）軟件耦合
EDEM可以與有限元分析軟件耦合，從而實現對施加在機器零件的載荷進行仿真分析，并將結果直接導出到所選的結構分析工具中。
鏟斗應力分析
3、與 CFD（計算流體動力學） 進行耦合
EDEM可以與 CFD（計算流體動力學） 進行耦合，用于顆粒級的固-液相系統的建模。這種耦合使顆粒-顆粒、顆粒-壁的接觸模型的建模變得復雜，但這種溝壑對于研究散體系統行為來說是至關重要的。
EDEM擁有共享內存的多核并行技術與多GPU加速計算技術的雙料加持，輕松實現千萬級顆粒數量的大型工業化模擬。根據測試計算，采用GPU加速技術，可以在CPU加速的基礎上再提高幾倍甚至十幾倍，解決大型工程模擬的需求。
如果您想了解更多關于Altair EDEM的信息，歡迎點擊下方按鈕報名參加 EDEM 網絡研討會~
▇ 時間：2019年12月4日 23:00 （北京時間）
▇ 主題：融合頂尖技術，實現強大的系統仿真和物料處理
點擊報名
您報名后若無法準時參加本次研討會，在會議結束后，也可收到本次研討會錄屏觀看鏈接。
關注Altair公眾微信號：Altair仿真驅動設計
展開 行業洞見 | 數字化映射技術的價值展示
PTC通過樹莓派對挖掘機進行了計算能力改造，以利用來自壓力傳感器和線性電位計的遙測數據來監測氣缸的行程和鏟斗中的負載。
應用此硬件工具還需要注意的是在樹莓派上運行的固件，其中包含使用ThingWorx JavaSDK實現的Edge Client。該SDK是將數據從挖掘機傳輸到基于云的ThingWorx服務器的網關，ThingWorx服務器有一系列集成技術和強大的仿真模型。該技術的基礎是推出下一代數字化映射用例的關鍵，將在下面講到。
IIoT平臺對工業數字化映射至關重要
在使用數字化映射管理實時資產時，需要一個IIoT平臺，通過資產的數字化定義（包括3D模型和工程計算和參數）對傳感器數據進行情境化。
在這種情況下，PTC定義了傳感器傳給ThingWorx的相關屬性，包括挖掘機臂和動臂角度、鏟斗角度、鏟斗負載和其他運動，這些為多個工程模擬和AI / ML模型奠定了基礎。但是，并非每個相關的挖掘機屬性都可以通過傳感器進行監控;需要數字化映射來找到某些計算的其他重要參數，例如重心。
實時仿真創造有價值的見解
這些先進的仿真模型的基礎是Creo和Windchill的獨特配置，這些配置由ThingWorx按需提供和制定。這些仿真可以滿足各種不同的工業用例，主要涉及維護安全操作條件，資產正常運行時間和預測性維護。
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