攤鋪機(jī)輸料機(jī)構(gòu)建模及有限元分析

段成燕1，李科鋒2，陳樹海1

(1.黑龍江工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150050；2.哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司， 哈爾濱150081)

摘要：瀝青路面施工質(zhì)量的好壞在很大程度上取決于攤鋪機(jī)工作性能。輸料系統(tǒng)各主要零部件的強(qiáng)度和匹配關(guān)系直接影響到施工質(zhì)量。本文針對瀝青混凝土攤鋪機(jī)的輸料機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維實體建模、運動仿真，并對主要零部件進(jìn)行有限元分析。為輸料機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，降低了產(chǎn)品研發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：瀝青；攤鋪機(jī)；輸料機(jī)構(gòu)；建模；有限元

收稿日期:2014-11-28

基金項目:黑龍江工程學(xué)院教研項目(20151230)

作者簡介:段成燕(1976-)，女，安徽渦陽人，副教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計制造及其自動化方面研究。

中圖分類號：TH132.45文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

瀝青混合料攤鋪機(jī)是瀝青道路面層施工中廣泛使用的施工機(jī)械。滿足瀝青路面施工質(zhì)量的技術(shù)規(guī)范要求的前提下，提高其使用性能和經(jīng)濟(jì)性能是攤鋪機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計研究重點[1]。本課題對瀝青混合料攤鋪機(jī)輸料機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維實體建模和運動仿真，對主要零部件進(jìn)行有限元分析，生成應(yīng)力云圖，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

1攤鋪機(jī)輸料機(jī)構(gòu)

輸料機(jī)構(gòu)是攤鋪的重要組成部分，完成混合料由料斗向布料器的輸送，安裝在料斗底部，由兩條鏈條驅(qū)動帶有刮板的傳動鏈，每組傳動鏈分別由液壓馬達(dá)驅(qū)動，通過中間的減速器裝置，滿足工作機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率的要求[2]。輸料的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-聯(lián)軸器　2-主動鏈輪　3-驅(qū)動鏈　4- 輸送鏈輪　5-刮板輸送鏈 6-張緊輪　7-張緊拉桿　8-液壓馬達(dá)　9-減速器 圖1　輸料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

2三維實體建模

采用底層設(shè)計的方法，將每個已裝配好的組件和零部件根據(jù)設(shè)計零件配合要求，將生成的零件插入裝配體，生成三維實體模型[3]。通過固定約束面對齊、軸對齊、偏置、匹配等功能模塊，對輸料機(jī)構(gòu)進(jìn)行實體裝配；通過給元件加入各種組合約束功能模塊對零部件進(jìn)行約束，使元件可以自由移動或旋轉(zhuǎn)進(jìn)而完成對輸料機(jī)構(gòu)的整體裝配。輸料機(jī)構(gòu)的三維實體效果如圖2所示。

3輸料機(jī)構(gòu)的運動仿真

通過Pro/E的運動仿真模塊，進(jìn)行裝配的運動分析和仿真，應(yīng)用槽運動和圓柱接頭實現(xiàn)輸料機(jī)構(gòu)鏈條數(shù)量較多時的運動仿真。在裝配過程中設(shè)置輸料機(jī)構(gòu)運動仿真的旋轉(zhuǎn)銷軸，每兩個鏈節(jié)都能實現(xiàn)運動功能。設(shè)置點的速度、運動軸速度、角速度、切向槽速度、利用速度條件評估模型對輸料機(jī)構(gòu)運動速度設(shè)計。

依據(jù)理論設(shè)計的鏈輪轉(zhuǎn)速，設(shè)置輸送機(jī)構(gòu)運動槽速度和運動軸速度，檢測其運動方向、速度特性、持續(xù)時間、幀數(shù)和最小間隔等運動參數(shù)[4]。為使仿真效果更接近實際輸料結(jié)構(gòu)工作時的狀態(tài)，添加整體的其它機(jī)構(gòu)和實際路面等現(xiàn)實素材，其仿真運動如圖3所示。

圖3　輸料機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)仿真圖

4主要零部件的有限元分析

對零部件進(jìn)行有限元分析，通過離散數(shù)學(xué)原理將連續(xù)的模型劃分成有限單元，用四面實體單元劃分實體幾何體而用三角形殼單元劃分幾何面。依據(jù)輸料機(jī)構(gòu)的總體裝配圖、傳動鏈節(jié)的零件圖和三維實體模型，鏈節(jié)是輸料機(jī)構(gòu)的主要受力部件，忽略過渡圓角、 銷孔等對鏈節(jié)剛度影響較小的部位。對手指部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分和有限元分析，形成如圖4所示的網(wǎng)格圖、如圖5所示的應(yīng)力云圖和如圖6所示的靜應(yīng)力圖。

圖4　劃分網(wǎng)格圖

圖5　應(yīng)力分布云圖

圖6　靜應(yīng)力分析數(shù)據(jù)

通過靜應(yīng)力分析可知，其最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，工作中手爪具有穩(wěn)定性和安全性，滿足理論計算的強(qiáng)度要求。

5結(jié)語

輸料機(jī)構(gòu)是攤鋪機(jī)的主要工作部分之一，對其進(jìn)行三維實體建模和運動仿真，進(jìn)行運動干涉檢驗，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期。傳動鏈的強(qiáng)度決定輸料結(jié)構(gòu)的承載能力，對傳動的組成鏈節(jié)部件進(jìn)行有限元分析，通過受力運動云圖和靜應(yīng)力分析數(shù)據(jù)，對機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供了理論支持[5]。

參考文獻(xiàn):

[1]李自光.公路施工機(jī)械[M].2版.北京：人民交通出版社,2011.

[2]張海波，王蘭，盧潔.攤鋪機(jī)刮板輸料系統(tǒng)設(shè)計要點[J].工程機(jī)械與維修,2013(12)：154-155.

[3]二代龍震工作室.Pro/Mechanism Wildfire5.0機(jī)構(gòu)/運動分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.

[4]王飛.瀝青路面攤鋪機(jī)作業(yè)過程仿真及振動裝置研究[D]. 西安：長安大學(xué),2013.

[5]劉體江.瀝青混凝土攤鋪機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)選用及對工程質(zhì)量影響探究[J].交通世界(建養(yǎng)機(jī)械)，2014(1)：54-55.

責(zé)任編輯：吳旭云

Modeling and Finite Element Analysis on Paver Transporting Mechanism

DUAN Chengyan1， LI Kefeng2， CHEN Shuhai1

(1.College of Electromechanical Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China；

2． Harbin First Machinery Group Co. LTD., Harbin 150081, China)

Abstract：Asphalt pavement construction quality depends largely on paver working performance. The strength and matching relation of main components in transporting system directly affect the construction quality. The paper makes a three-dimensional entity modeling and movement simulation on the transporting mechanism of asphalt concrete paver, and carries out finite element analysis on the main components, which provides theoretical basis for the optimization of transporting mechanism, shortens the product development cycle and reduces the costs of product development.

Keywords：asphalt; paver; transporting mechanism; modeling; finite element