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挖掘機的學問 動臂斗桿為什么是空心的

【鐵甲工程機械網原創】想必大家對挖掘機都很熟悉,也知道動臂和斗桿并不是實心的,而是采用箱型結構,也就是說,截面是由4塊鋼板焊接成的矩形,中間什么都沒有。曾經有人利用了挖掘機的這個特點,在挖掘機動臂里藏毒品,試圖從墨西哥向美國走私,當然并沒有成功,或者說,成功的我們都不知道。

藏在動臂中的大麻被休斯頓警方查獲

那么在司空見慣的現象背后,大家有沒有思考過,

1、挖掘機動臂和斗桿為什么要設計成這樣?

2、為什么不是圓形截面,

3、為什么不用細一點的長桿,或者桁架,

4、為什么不用碳纖維或者其他更高級的材料,

5、為什么不用3D打???

這里,鐵甲工程機械網會嘗試著解答這些問題。

拉展上展出3D打印出的一段斗桿

先說材料,鋼材無疑是目前在強度、剛度、疲勞性能、可加工性、經濟性等方面最適合挖掘機動臂的材料,注意是最適合,不是性能最優。碳纖維某些性能非常好,也很輕,但現階段太貴,可加工性也不好。3D打印的問題也類似,價格太高,雖然CONEXPO上出現了斗桿部件。

工字形梁是一種非常經濟的截面形式,可以充分發揮材料性能,提高承載能力

如何使用鋼材呢,我們憑常識就知道,材料相同的情況下,截面面積越大,承載能力越強,粗的木棍比細的更結實。但是僅僅增加截面積就可以提高承載力嗎,相信大家還有這樣的常識,同一塊木板水平放置和垂直放置,其承載力也不一樣。這說明,即使截面積相同,形狀不同其承載力也不一樣。

工字鋼在各個領域都得到了廣泛應用

因此,真正決定承載力的其實是截面的高度,因為像鋼材這樣的材料是依靠變形來抵抗外力的,當然在一定的彈性范圍內,其變形很難用肉眼觀察到。截面高度越大,變形越困難,承載力也就越大。工字鋼就是一種常見的鋼結構件,垂直的腹板是主要承受載荷的部分。

挖掘機動臂相當于兩個工字鋼的變形

對于動臂和斗桿,我們需要他們既輕又結實,只有充分利用材料的性能。但是單純增加截面高度也是行不通的,首先幾何上受到限制,我們很難想象一個揮舞著巨大工字鋼的挖掘機;其次,前面談到的承載力指的垂直方向的載荷,但其實動臂、斗桿的荷載很復雜,會產生包括拉伸/壓縮變形、剪切變形、扭轉變形和彎曲變形,如果僅考慮抗彎性能而增加截面高度會降低抗扭性能,導致穩定性問題。

絕大多數挖掘機動臂、斗桿都采用了類似的結構,中間部位彎矩最大,因此截面最高

為此需要妥協,截面高度不能太大,還要保證抗扭性能,現在的箱型結構在抗彎性能上相當于兩個并排的工字鋼,而抗扭性能則優于兩個單獨的工字鋼總和。這就是幾乎所有挖掘機廠商都采用這種形式。當然在微型挖掘機上,出于簡化加工的考慮,有的型號會用鋼管作為動臂,那就是另外一回事了。

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