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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。

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