挖掘机的学问 动臂斗杆为什么是空心的

【铁甲工程机械网原创】想必大家对挖掘机都很熟悉，也知道动臂和斗杆并不是实心的，而是采用箱型结构，也就是说，截面是由4块钢板焊接成的矩形，中间什么都没有。曾经有人利用了挖掘机的这个特点，在挖掘机动臂里藏毒品，试图从墨西哥向美国走私，当然并没有成功，或者说，成功的我们都不知道。

藏在动臂中的大麻被休斯顿警方查获

那么在司空见惯的现象背后，大家有没有思考过，

1、挖掘机动臂和斗杆为什么要设计成这样？

2、为什么不是圆形截面，

3、为什么不用细一点的长杆，或者桁架，

4、为什么不用碳纤维或者其他更高级的材料，

5、为什么不用3D打印？

这里，铁甲工程机械网会尝试着解答这些问题。

拉展上展出3D打印出的一段斗杆

先说材料，钢材无疑是目前在强度、刚度、疲劳性能、可加工性、经济性等方面最适合挖掘机动臂的材料，注意是最适合，不是性能最优。碳纤维某些性能非常好，也很轻，但现阶段太贵，可加工性也不好。3D打印的问题也类似，价格太高，虽然CONEXPO上出现了斗杆部件。

工字形梁是一种非常经济的截面形式，可以充分发挥材料性能，提高承载能力

如何使用钢材呢，我们凭常识就知道，材料相同的情况下，截面面积越大，承载能力越强，粗的木棍比细的更结实。但是仅仅增加截面积就可以提高承载力吗，相信大家还有这样的常识，同一块木板水平放置和垂直放置，其承载力也不一样。这说明，即使截面积相同，形状不同其承载力也不一样。

工字钢在各个领域都得到了广泛应用

因此，真正决定承载力的其实是截面的高度，因为像钢材这样的材料是依靠变形来抵抗外力的，当然在一定的弹性范围内，其变形很难用肉眼观察到。截面高度越大，变形越困难，承载力也就越大。工字钢就是一种常见的钢结构件，垂直的腹板是主要承受载荷的部分。

挖掘机动臂相当于两个工字钢的变形

对于动臂和斗杆，我们需要他们既轻又结实，只有充分利用材料的性能。但是单纯增加截面高度也是行不通的，首先几何上受到限制，我们很难想象一个挥舞着巨大工字钢的挖掘机；其次，前面谈到的承载力指的垂直方向的载荷，但其实动臂、斗杆的荷载很复杂，会产生包括拉伸/压缩变形、剪切变形、扭转变形和弯曲变形，如果仅考虑抗弯性能而增加截面高度会降低抗扭性能，导致稳定性问题。

绝大多数挖掘机动臂、斗杆都采用了类似的结构，中间部位弯矩最大，因此截面最高

为此需要妥协，截面高度不能太大，还要保证抗扭性能，现在的箱型结构在抗弯性能上相当于两个并排的工字钢，而抗扭性能则优于两个单独的工字钢总和。这就是几乎所有挖掘机厂商都采用这种形式。当然在微型挖掘机上，出于简化加工的考虑，有的型号会用钢管作为动臂，那就是另外一回事了。