平地機(jī)車架鉸接板應(yīng)力分析及優(yōu)化

秦宇

摘要： 目前平地機(jī)的車架形式為鉸接式，鉸接機(jī)構(gòu)是平地機(jī)的主要運(yùn)動機(jī)構(gòu)之一，主要連接前后車架兩大結(jié)構(gòu)件，發(fā)揮連接、轉(zhuǎn)向和承載的作用。兩大構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)就是鉸接部分的結(jié)構(gòu)板件。針對某型號平地機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)下鉸接板變形的現(xiàn)象，通過有限元分析軟件，建立鉸接機(jī)構(gòu)仿真模型，分析鉸接板材應(yīng)力分布情況，并提出最終的改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞： 平地機(jī);鉸接;有限元分析;應(yīng)力

前言

平地機(jī)是一種高速、高效、高精度和多用途的土方工程機(jī)械。它的車架形式大多為鉸接式，由前后車架與鉸接系統(tǒng)組成，是平地機(jī)驅(qū)動力的傳遞構(gòu)件和承載構(gòu)件。它的可靠性直接關(guān)系到整車的工作性能。

本文針對某型號平地機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)在測試過程中出現(xiàn)下鉸接板變形的現(xiàn)象，通過有限元分析方法，對該鉸接機(jī)構(gòu)的鉸接板進(jìn)行有限元的應(yīng)力分析，并根據(jù)分析結(jié)果，對鉸接板進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，滿足平地機(jī)工況的使用要求。

工況分析

平地機(jī)鉸接系統(tǒng)的受力比較復(fù)雜，前后車架的長度較長，中間通過關(guān)節(jié)軸承與銷軸連接，在平地機(jī)使用過程中，前后車架的鉸接板處承受的載荷與彎矩較大。根據(jù)受力特點(diǎn)及實(shí)際作業(yè)狀況，選取兩種典型工況進(jìn)行分析。為了計(jì)算方便，對前后車架鉸接結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，建立模型如圖1：

工況一：正常行駛工況。各部件的重量及加載位置如下：前配重450kg，前橋和輪胎重966kg，加載位置簡化為前橋中心;前車架1620kg，工作裝置2230kg，加載位置簡化為前車架擺動位置中心，設(shè)置行駛動載系數(shù)為3。

工況二：鏟刀頂起地面工況。各部件的重量及加載位置如下：鏟刀支撐力為80KN，前車架1620kg，工作裝置2230kg，加載位置簡化為前車架擺動位置中心;前配重450kg，前橋和輪胎重966kg，加載位置簡化為前橋中心，設(shè)置工作動載系數(shù)為2。

約束和加載

本分析采用ansys-workbench軟件，整個結(jié)構(gòu)相連接處都建立綁定接觸，劃分網(wǎng)格尺寸為10mm，建立模型如圖2：

約束

上鉸接約束：上關(guān)節(jié)軸承與上鉸銷定義球鉸接，上關(guān)節(jié)軸承與后車架定義綁接接觸，上鉸銷與前車架上蓋板鉸接孔定義無摩擦接觸，上鉸銷與前車架下蓋板鉸接孔定義綁接接觸;

下鉸接約束：下關(guān)節(jié)軸承與下鉸銷定義球鉸接，下關(guān)節(jié)軸承與前車架定義綁接接觸，下鉸銷與后車架上蓋板鉸接孔定義無摩擦接觸，上鉸銷與前車架下蓋板鉸接孔定義無摩擦接觸，下鉸銷與后車架上蓋板上表面建議綁定接觸，下鉸銷與后車架下面的底蓋板建立綁定接觸。

加載

前車架載荷全部簡化到前車架箱型的4塊板上，采用遠(yuǎn)端力remote-force加載，考慮了彎矩的影響。主要載荷加載詳細(xì)見下面的工況分析圖3和圖4：

計(jì)算結(jié)果分析

工況一計(jì)算結(jié)果如圖5

前車架鉸接板結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力低于后車架鉸接板結(jié)構(gòu);下鉸接關(guān)注部位，后車架下鉸接上蓋板邊緣大部分區(qū)域應(yīng)力大于110MPa。

工況二計(jì)算結(jié)果如圖6

前車架鉸接板結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力低于后車架鉸接板結(jié)構(gòu);下鉸接關(guān)注部位，后車架下鉸接上蓋板邊緣大部分區(qū)域應(yīng)力大于100MPa。

優(yōu)化分析

從分析結(jié)果看，后車架的下鉸接上蓋板邊緣處的應(yīng)力值較大，初步判斷是樣機(jī)下鉸接板變形的主要原因。針對上述情況，我們把下鉸接上蓋板的邊緣處加寬20mm，重新建立分析模型，對比相同工況下的應(yīng)力值。

針對工況一，改進(jìn)后模型（如圖7）應(yīng)力約80MPa，應(yīng)力值降低了約28%。針對工況二，改進(jìn)后模型（如圖8）應(yīng)力值約65MPa，應(yīng)力降低了約35%。改進(jìn)模型的應(yīng)力比原模型降低了28～35%，鉸接孔承載剛度增加，高于100MPa的紅色區(qū)域比原模型小很多，，改進(jìn)效果明顯。

結(jié)束語

通過有限元分析的計(jì)算結(jié)果，對典型工況進(jìn)行了模擬，找到了樣機(jī)鉸接板變形的根本原因，并對鉸接板進(jìn)行了改進(jìn)及驗(yàn)證，保證了產(chǎn)品的可靠性，同時也突出了分析工作的指導(dǎo)性和重要性。

經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的車架鉸接板的該系列平地機(jī)，已經(jīng)批量上市使用，再沒有出現(xiàn)鉸接板變形的現(xiàn)象。

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