四川大学
摘要：液压挖掘机是工程施工中的重型机械之一，施工效率高，在工程机械中备受青睐。其主要零部件性能影响着挖掘机的工作强度和稳固性。文章对液压挖掘机活塞进行分析与优化研究，以便为其他液压挖掘机进行整体性分析和改进提供参考。
关键词：液压挖掘机零部件有限元活塞
一、前言
随着我国对基础设施建设的不断深化。液压挖掘机在土方开挖和障碍拆除等领域发挥着越来越重要的作用。日益增长的施工需求对挖掘机主要零部件的优化设计和性能水平也提出了更高的要求。这不仅关系到用户的施工效益，同时也反映一个国家工业生产的发展水平，因此优化液压挖掘机主要零部件的性能、提高和挖掘机的工作效率，对于满足生产与施工需求具有积极的重要意义。
文章对液压挖掘机的活塞建模并仿真挖掘机的实际工况和掘进姿态。验证模型无误后设计和优化液压挖掘机系统参数，效果良好。
二、仿真模型的建立
采用ANSYS软件进行数学建模，忽视各类型号液压挖掘机的细节差别，选取共性实现建模，简化模型，其次要部件用简化线条和节点代替，抽象后把压挖掘机主要零部件工作性能参数设定好。
三、液压挖掘机主要零部件有限元分析
运用变分原理、Sobolev空间以及椭圆边值条件对液压挖掘机主要零部件实现有限元建模，笔者分别对动臂、斗杆、活塞等主要零部件的不同工况进行有限元分析，在求解模态的过程时可知前三阶比较关键，决定着挖掘机工作装置的频率，因此笔者对挖掘机模型的典型工况动臂和斗杆前六阶谐调频率记录下来。
四、液压挖掘机活塞的优化
液压挖掘机主要部件的优化空间很大，无法在此面面俱到。本文提出基于一阶优化算法的换热系数求解方法，对活塞顶部棱圆边界和结构加以改进，再次仿真显示改进合理有效。
（一）优化算法
运用ANSY软件和一阶优化算法，将活塞的十七个区域的换热系数作
量数，本文监测了活塞顶面、活塞侧面（包含环槽）、活塞内壁面，因此l值取3；n为传热区数量，取为17；H1j为GT-Power软件计算得到的第j个区域的热流量；H2j为ANSYS前次迭代计算时应用的换热系数中的第j个区域的热流量；f（h）为目标函数。
应用GT-Power软件建立液压挖掘机气缸一侧工作过程模型，以缸内燃气状态参数作为活塞的换热边界的依据。优化过程对柴油机一侧气缸排的工作过程用模型仿真，可得到的标定工况和最大扭矩工况下的缸内平均温度随换热系数随曲轴转角的变化规律，方便优化研究。
（二）活塞的优化处理
应用ProE软件建立了活塞的三维几何模型，为降低计算时间和成本，把油孔直径<2mm~3mm倒角还原为棱边，计算精度的处理是将被删除油孔处的换热系数适当增大。导入ANSYS用自适应曲面划分网格，同时对活塞上顶面、环槽等部位进行加密，获取节点和单元。以表3数据作为原始数据，应用可将约束条件转化为罚函数的一阶优化算法，得到活塞在标定工况下的换热边界约束条件。
（三）活塞优化计算结果验证与分析
采用硬度塞法测量活塞五个测试点的温度测试值并与计算值比较，可知测试点4（活塞环槽处）的测试值误差异常，其他各点误差在正常范围内，说明硬度塞测温法适用活塞温度场测量。针对4点气门槽处直角过渡温度偏高的不足，在活塞上顶部改原来的棱边为倒角平滑型活塞顶，对优化后的活塞环槽加密，自适应曲面网格获取30万个以上节点，20万个以上网格单元。输入原活塞边界条件数据，用优化活塞模型仿真，可得标定工况下活塞的高低温度极限值，相对优化前降低了2.5K和13.15K；最大扭矩工况下活塞的高低温度极限值相对优化前降低了1.85和2.26K。通过软件仿真，原模型上出现的气门槽突起处温度场出现降温显示，且新模型活塞温度场低于原模型且基本稳定，优化后的活塞在许可温度区间内工作，并改进了原先结构上的弊端，规避了活塞局部温度过高的不足，可见优化后的模型合理有效。
五、小结
本文主要对液压挖掘机活塞模型工作过程中的动臂和斗杆进行了有限元分析，得到活塞在不同工况下与缸道间的表面换热系数和相关参数。结合一阶算法应用ANSYS软件对活塞的温度场分布进行分析，仿真对优化模型进行验证，证明了活塞优化后温度敏感区有温度降低、局部温度升降平稳的结果，改进的良好效果。
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作者简介：鲜九一（1991.12-），男，四川南充人，机械专业硕士。研究方向：挖掘机优化