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液壓挖掘機在挖掘過程中負載變化劇烈，其各部件承受著各種惡劣工況下載荷的作用，其強度、可靠性和耐久性直接關系到挖掘機的工作性能和工作效率，因此對挖掘機進行工況研究和強度分析具有非常重要的意義。本文建立了某型挖掘機的動力學模型及整機有限元分析模型，通過虛擬試驗得到各種危險姿態，并通過強度分析，確定出挖掘機最惡劣的工作姿態。
在挖掘機動力學模型中，為了避免過約束及模擬挖掘機工作裝置實際運動情況，部分工作裝置間采用球鉸連接或是Bushing連接代替銷軸連接，Bushing均只保留所需方向的自由度；上車部分各部件之間均采用固定副連接，與實際相符；因為下車部分各部件間的運動與本次分析無關，從減少計算時間考慮，下車部分各部件之間同樣均采用固定副；上車部分及下車部分連接的部件分別為回轉平臺與回轉支承，兩者之問設置為轉動副，與實際相符。如圖所示的挖掘機動力學從挖掘機實際情況分析，各油缸的伸長和收縮、回轉馬達的正轉與反轉實現挖掘機工作狀態的變化，因此在各油缸缸筒與活塞桿之間設置力函數實現油缸的主動推力或限定推力，在網轉平臺與網轉支承間的旋轉副設置位移驅動函數實現工作裝置及上車部分的整體回轉。
在模型建立之前，需要根據分析目的，對三維模型進行簡化，具體原則如下：(1)除去一些不承受載荷的非關鍵螺栓、輸油管道、一些小掛件等小部件；(2)對三維模型中一些建議誤差予以天平或去除；(3)對很小的孔洞進行填補，例如原來為一些線路、非關鍵螺釘預留的孔洞；(4)對不在關鍵地方的倒角進行消除，比如鑄件的棱邊總是存在的倒角；(5)為了保證計算結果的精度，在各個部件的厚度或延伸方向上，至少有3層單元。(6)在一些過渡的地方，采用的網格單元數目要求能夠反映出原來幾何體的形狀。如圖所示，為挖掘機整機有限元模型，包括動臂、斗桿、鏟斗、上車架、回轉支撐、下車架等部件。其中，使用梁單元模擬動臂、斗桿、及鏟斗油缸；各部件均根據實際物理樣機建立連接關系。整機有限元模型包含157萬單元，最小雅閣比0.1，其中雅閣比0.7以上的單元占到99%以上。
本次共確定了3種工況，分別為挖掘工況、提升制動工況及回轉制動工況。在挖掘工況下，確定如圖所示的10種工作姿態。其中挖掘力均施加在鏟斗中齒齒尖，其力-向取決于挖掘機挖掘的方式，當挖掘機為鏟斗一挖掘時，挖掘力垂直于斗桿與鏟斗鉸接點、鏟斗中齒齒尖兩點連線，當挖掘機為斗桿挖掘時，挖掘力垂直于斗桿與動臂鉸接點、鏟斗中齒齒尖連線。挖掘工況10種工作姿態分別為：姿態1：動臂油缸、斗桿油缸作用力臂最大，鏟斗油缸處于最大挖掘力姿勢；姿態2：動臂油缸作用力臂最大，斗桿油缸全縮，鏟斗油缸處于最大挖掘力姿勢；姿態3：動臂基準線水平，斗桿垂直于地面，鏟斗油缸處于最大挖掘力姿勢；姿態4：動臂油缸全縮，斗桿垂直于地面，鏟一斗油缸處于最大挖掘力姿勢；姿態5：動臂油缸和斗桿油缸作用力臂最大，斗桿與動臂鉸點、斗桿與鏟斗鉸點、鏟斗中齒齒尖二點共線；姿態6：動臂油缸全縮，斗桿垂直于地面，斗桿與動臂鉸點、斗桿與鏟斗鉸點、鏟斗中齒齒尖三點共線；姿態7：動臂油缸全縮，斗桿與斗桿油缸鉸點、斗桿與鏟斗鉸點、鏟斗中齒齒尖三點連線并且垂直于斗桿油缸；姿態8：動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸均全縮；姿態9：斗桿油缸全縮，斗桿與動臂鉸點、斗桿與鏟斗鉸點、鏟斗中齒齒尖三點共線，調整動臂油缸使鏟斗齒尖位于地面；姿態10：動臂油缸全縮，斗桿油缸作用力臂最大，斗桿與動臂鉸點、斗桿與鏟斗鉸點、鏟斗中齒齒尖三點共線。在此工況下，確定如圖所示的2種工作姿態。此工況下，挖掘機受物料重力及回轉制動力，其中物料重力取滿載土重，作用于鏟斗質心，方向為始終垂直向下；回轉制動力大小取決于不同姿態下挖掘機的回轉作用力臂的大小及最大回轉制動力矩，作用于鏟斗邊齒齒尖，方向為垂直指向紙面內側。
提升制動工況2種工作姿態分別為：姿態11：斗桿油缸全縮，鏟斗油缸全伸，調整動臂油缸使斗桿與鏟斗鉸點離回轉中心最遠，則工作裝置及上車部分整體向右側旋轉900。姿態12：動臂油缸及鏟斗油缸全伸，調整斗桿油缸使鏟斗齒緣線水平，工作裝置及上車部分整體向右側旋轉900。在此工況下，確定3種工作姿態，如圖所示。其中回轉制動力均施加在邊齒齒尖，方向為垂直指向紙面內側。回轉制動力的大小取決于不同姿態下挖掘機的回轉作用力臂的大小及最大回轉制動力矩。回轉制動工況下3種工作姿態分別為：姿態13：動臂基準線水平，斗桿及鏟斗斗緣線均垂直于地面。姿態14：斗桿油缸全縮，動臂與回轉平臺鉸點、斗桿與鏟斗鉸點連線水平，鏟斗斗緣線垂直于地面。姿態15與姿態11各油缸長度相同，只是載荷施加方法不同。
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