液压挖掘机常用于采矿、建筑、路面施工等恶劣作业环境,挖掘机作业过程零部件承受的动载荷是引起包括工作装置在内的结构件失效的主要原因。工程机械行业“十三五”战略规划也将“提升结构强度、可靠性和耐久性”列入重点发展任务之一。挖掘机作业是通过工作装置实现,工作装置太重会降低生产率、高能耗,太轻又会导致结构强度降低。工作装置的精确设计是决定挖掘机性能品质的关键技术之一。工作装置是多油缸驱动的复杂机械系统,油缸动态特性、结构弹性、铲斗与挖掘对象撞击等因素对挖掘动载荷和动态应力均存在重要影响。为此,本文围绕液压挖掘机工作装置动态设计中存在的基础理论问题,建立了包含油缸动态特性、挖掘对象模型的液压挖掘机工作装置柔性体动力学模型,系统提出了挖掘作业动载荷和结构动态应力的计算方法。主要研究内容如下:(1)油缸动力学模型与刚度研究建立了两种不同工作状态下的油缸模型。系统考虑油缸的压力、流量、位移和速度等状态变量,采用两节点单元建立了驱动油缸动力学模型。采用弹簧阻尼单元模拟闭锁油缸动态特性,综合分析多种因素如油液可压缩性、油液空气含量、缸筒膨胀、活塞杆弹性变形、管路膨胀、油缸密封变形等对油缸刚度影响,在此基础上,提出了新的油缸刚度模型。与已有刚度模型相比,实现油缸刚度计算误差率从21%降低到3.7%。将更为精确的油缸模型集成到了整体工作装置动力学模型中,实现了更为精确的机-液耦合动力学仿真。(2)工作装置挖掘作业柔性体动力学建模研究综合考虑油缸动态特性、结构弹性、挖掘对象等因素建立了挖掘机工作装置柔性体动力学模型,系统提出了挖掘作业条件下各个部件的动载荷计算方法。为了均衡计算精度和效率,采用梁单元对类梁结构如动臂、斗杆、连杆等建模;对结构复杂的铲斗,首先建立三维有限元模型,然后采用动态子结构自由度凝聚法建模;采用两节点的弹簧阻尼单元建立铲斗与挖掘对象关系模型。将油缸模型与结构模型集成,建立机-液-柔性体耦合的挖掘作业动力学模型。最后从高效应用目标出发,开发了结构动力学模型自动生成技术,基于NEWMARK算法编制了动力学计算程序,实现挖掘动态作业模拟计算。(3)典型工况动力学计算与试验为了对动力学理论模型进行检验,以某50吨液压挖掘机为例,针对斗杆挖掘冲击、动臂提升冲击两种典型工况进行动力学计算与试验验证。动力学计算得到的挖掘动载荷与试验测试结果吻合,计算挖掘动载荷峰值与测试峰值的最大误差率小于8%。采用本文提出的油缸动力学模型与采用位移函数模拟油缸驱动相比,实现铲斗动载荷计算误差率从16%降低至3%;而结构弹性对挖掘动载荷的影响较小。(4)基于子模型的结构动态应力计算方法研究提出了基于子模型的结构动态应力计算方法,实现挖掘机工作装置结构动态应力准确且高效的计算。采用油缸模型、梁单元、子结构自由度凝聚模型等建立简化的整体动态模型,实现高效计算局部子模型边界动载荷;再对边界动载荷等效处理后,施加到精细子模型中计算局部结构应力;同时基于达朗贝尔原理将动态子模型等效为静态子模型,实现子模型应力高效计算。为得到时间历程的子模型动态应力,采用对边界各载荷分量下应力与动载荷线性叠加的方法实现动态应力准确计算。(5)典型作业工况动态应力与强度分析将上述研究成果应用于某50吨液压挖掘机,以动臂提升冲击典型工况下的斗杆局部结构动态应力计算为例,并通过测试验证、对比分析:各分析点的计算动态应力结果与测试结果趋势一致,计算动态应力峰值与测试应力峰值的最大误差小于10%。同时分析表明:(a)挖掘机结构动态应力计算时不能忽略结构弹性的影响;(b)采用本文提出的“基于子模型的结构动态应力法”的计算效率远高于采用“整体工作装置瞬态动力学法”。