沖擊式夯實機機架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

卜 勻 張宏光

唐山學院河北省智能裝備數(shù)字化設計及過程仿真重點實驗室 河北唐山 063000

1 分析與優(yōu)化背景

近年來,我國大力發(fā)展基礎建設。在土方基礎夯實工程中,夯實作業(yè)有效提高了致密性發(fā)生變化的土體強度,降低沉降量,滿足工程要求。其中,路面機械夯實技術(shù)憑借效率高、壓實強度大、鋪層厚度深等特點,得到了迅猛發(fā)展。許多知名的壓路機生產(chǎn)企業(yè),已經(jīng)開發(fā)出多種型號的沖擊式夯實機,如YP25、YP30、YP32、XG62513C等,都被廣泛應用于高速公路路基挖方、鐵路建設、機場跑道施工、水庫堤壩防滲處理等領域[1]。在理論研究中,蘭吉光[2]基于ANSYS有限元軟件研究瞬態(tài)沖擊力作用下夯實輪結(jié)構(gòu)變化情況,為夯實輪的設計及優(yōu)化提供參考。史富増[3]在建立沖擊壓路機虛擬樣機的基礎上,應用ADAMS軟件進行模擬動力學分析,對牽引減振原理進行深入研究,降低牽引機疲勞對沖擊機的傷害。安全穩(wěn)定的機架是夯實機的支撐結(jié)構(gòu),機架采用鋼板焊接而成,結(jié)構(gòu)尺寸大,為滿足強度要求,減小機架質(zhì)量是沖擊式夯實機機架結(jié)構(gòu)研究的重點。筆者對沖擊式夯實機機架進行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[4-12]。

2 沖擊式夯實機工作過程

沖擊式夯實機由牽引車和夯實機裝置兩個部分組成。夯實機裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,由機架、夯實輪、前后輪組、牽引機構(gòu)、減振機構(gòu)、牽引轉(zhuǎn)向機構(gòu)組成。機架是夯實機裝置的骨架。夯實輪是夯實機裝置的核心部件,對工作效率起決定性作用。牽引機構(gòu)由連桿、作用擺臂、夯實輪軸等組成,牽引輪體運動,對輪體的運行有導向作用。減振機構(gòu)可以緩解沖擊力對車輪軸承的沖擊,穩(wěn)定車體。牽引轉(zhuǎn)向機構(gòu)將夯實機裝置及牽引車連接在一起。施工作業(yè)時,牽引車連接夯實機裝置,拖動前后輪組,帶動夯實輪轉(zhuǎn)動,利用夯實輪自身的質(zhì)量和前進時的動力對地面進行沖擊。沖擊后夯實輪的平緩弧形面對地面實施連續(xù)均勻碾壓,使地基變得均勻致密。夯實輪一個運動周期連續(xù)對地基進行三次沖擊及碾壓。在沖擊式夯實機轉(zhuǎn)場和施工作業(yè)中,機架具有定位和支撐的關(guān)鍵作用,且均承受大載荷。機架結(jié)構(gòu)性能優(yōu)劣對沖擊式夯實機工作的正常進行至關(guān)重要,所以對機架的研究具有現(xiàn)實意義。

▲圖1 夯實機裝置結(jié)構(gòu)

沖擊式夯實機的主要技術(shù)參數(shù)中,沖擊能量為25 kJ,工作速度為6 km/h～10 km/h,沖擊頻率每分鐘為55～90次。夯實輪結(jié)構(gòu)形式為三邊弧形結(jié)構(gòu),質(zhì)心高度為780～980mm,牽引車功率不低于162 kW,夯實輪寬度為800 mm。

3 機架結(jié)構(gòu)分析

為滿足夯實輪的運動,機架采用弧形設計,鋼板采用焊接結(jié)構(gòu)。機架結(jié)構(gòu)如圖2所示。機架安裝在前后輪組上,用于提升夯實輪,同時對其它部件有定位作用。機架前端設置牽引轉(zhuǎn)向機構(gòu),經(jīng)牽引彈簧與牽引車連接。

▲圖2 機架結(jié)構(gòu)

3.1 靜載

應用SolidWorks軟件進行實體建模,導入ANSYS Workbench軟件靜力學模塊進行前處理。機架材料為Q235鋼,材料的彈性模量為2.08×1011Pa,泊松比為0.277,密度為7 850 kg/m3。使用六面體進行網(wǎng)格劃分,設置網(wǎng)格尺寸為40 mm,由此得到網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為77 296,單元數(shù)為18 995。

轉(zhuǎn)場過程中夯實輪靜止,夯實輪主要受鋼絲繩吊裝方向的力,忽略連接擺臂方向的力,機架受夯實輪的重力作用。根據(jù)實際安裝與使用情況,約束機架底面Y方向位移。夯實輪質(zhì)量共約13 t,對頂部兩個連接孔各施加向下的65 000 N約束載荷。對機架進行有限元分析,得到靜載時機架等效應力云圖和變形云圖,分別如圖3、圖4所示。

▲圖3 靜載時機架等效應力云圖

▲圖4 靜載時機架變形云圖

由等效應力分析結(jié)果可得,機架在提升夯實輪時,最大應力約為31 MPa,應力集中出現(xiàn)在頂部連接孔位置,等效應力遠小于機架材料Q235鋼的許用應力,安全因數(shù)約為7.6,具有極大的強度儲備,說明機架符合設計要求。由圖4可見,最大變形出現(xiàn)在機架頂部中間弧面上,約為0.26 mm。變形沿著兩側(cè)逐漸減小,且整個變形云圖具有一定的對稱性。

3.2 沖擊工況

做如下假設:① 沖擊式夯實機作業(yè)過程中處于勻速運動,牽引機速度變化對夯實輪運動的影響忽略不計;② 夯實輪為剛體;③ 被壓實材料平滑,在壓實過程中對夯實輪不產(chǎn)生附加力的影響;④ 在運動過程中,夯實輪與被壓實材料只發(fā)生滾動摩擦;⑤ 忽視運動過程中軸承摩擦的影響。

機架夯實土壤時,機架受到夯實輪的沖擊力。夯實輪沖擊地面時產(chǎn)生極大的沖擊力,同時地面會通過夯實輪和連桿將力反彈至機架,對機架造成影響。為保證機架良好的工作狀態(tài),以夯實輪沖擊地面為工況,對機架進行受力分析。機架簡化模型如圖5,受力簡圖如圖6所示。

▲圖5 機架簡化模型▲圖6 機架受力簡圖

圖6中,F為沖擊力,沖擊地面時會通過連桿以反作用力F1、F2反彈至機架。機架對稱分布,有四根連桿與機架相連接,因此F1與F2大小相同,夾角約為120。

結(jié)合沖量定理對沖擊力進行求解:

(1)

式中:L為夯實輪與地面接觸兩點間的距離;Δt為作用時間;M為總轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動慣量;w1、w2分別為沖擊前和沖擊后的角速度。

假設夯擊黏性松土作用時間為0.023 s,在牽引車速度為2.8 m/s時,求得沖擊力為3.59×106N。

受力分析后,可以得出連桿傳遞至機架的力約為1.795×106N,即F1與F2均為1.795×106N。

夯實輪沖擊土壤,土壤又將反作用力傳遞至機架,將橫梁與機架的接觸面設置為印記面,在印記面上施加1.795×106N的沖擊力,約束機架底部后輪叉板Y方向自由度,約束機架X方向自由度,約束機架前后端Z向自由度。

運行求解,得到?jīng)_擊工況下機架等效應力云圖和變形云圖,分別如圖7、圖8所示。

▲圖7 沖擊工況下機架等效應力云圖▲圖8 沖擊工況下機架變形云圖

由圖7可知,在夯實輪沖擊地面時,機架最大應力位于機架側(cè)板弧形斜面與矩形底面相交位置處,達到217.83 MPa。Q235鋼的許用應力,機架的安全因數(shù)約為1.08。由于機架需要長期負荷使用,因此安全因數(shù)較小。若選用Q345鋼,則計算得安全因數(shù)為1.6,能夠長期使用。由圖8可知最大變形約為0.65 mm,位于機架右側(cè)頂部中間弧面上。

4 拓撲優(yōu)化

在ANSYS Workbench軟件中進行拓撲優(yōu)化設置,對機架的材料參數(shù)、載荷、約束保留,根據(jù)機架實際使用情況及零件裝配情況,在軟件中設置機架需要保留的區(qū)域及需要去除的優(yōu)化區(qū)域,將保留原材料50%質(zhì)量作為優(yōu)化目標,對需要的部分保留,得到靜載時和沖擊工況下機架優(yōu)化設置,分別如圖9、圖10所示。圖中淺色區(qū)域為保留部分,深色區(qū)域為優(yōu)化部分。

▲圖9 靜載時機架優(yōu)化設置▲圖10 沖擊工況下機架優(yōu)化設置

靜載時和沖擊下工況機架優(yōu)化結(jié)果分別如圖11、圖12所示。

▲圖11 靜載時機架優(yōu)化結(jié)果▲圖12 沖擊工況下機架優(yōu)化結(jié)果

通過優(yōu)化,達到滿足強度要求同時又減輕質(zhì)量的目的,節(jié)省材料,降低成本。

拓撲優(yōu)化后將結(jié)果導入ANSYS Workbench軟件進行驗證。機架優(yōu)化后模型如圖13所示,此時機架質(zhì)量為2 998.7 kg,優(yōu)化前機架質(zhì)量為3 942.1 kg,通過對比可得優(yōu)化后機架質(zhì)量減小約24%。

▲圖13 優(yōu)化后機架模型

優(yōu)化后機架質(zhì)量減小,達到優(yōu)化效果。為確認機架強度是否能夠滿足工作要求,需要進一步分析驗證。應用ANSYS Workbench軟件進行后處理仿真,以驗證優(yōu)化結(jié)果的正確性。

優(yōu)化后靜載時機架等效應力云圖和變形云圖分別如圖14、圖15所示。由圖14、圖15可知,優(yōu)化后最大應力位置由原來的吊孔處向頂部橢圓孔處轉(zhuǎn)移,并且由31.11 MPa增大至39.42 MPa。最大變形量由原來的0.26 mm增大至0.39 mm,因選用Q345鋼,故安全因數(shù)約為8.8。

▲圖14 優(yōu)化后靜載時機架等效應力云圖▲圖15 優(yōu)化后靜載時機架變形云圖

優(yōu)化后沖擊工況下機架等效應力云圖和變形云圖分別如圖16、圖17所示。由圖16、圖17可知,優(yōu)化后最大應力位置并沒有發(fā)生改變,值由217.83 MPa增大至259.89 MPa,增大約19%。最大變形量由原來的0.65 mm增大至0.85 mm,因選用Q345鋼,故安全因數(shù)約為1.44。此時模型整體質(zhì)量與原質(zhì)量相比,減小約24%。綜合考慮優(yōu)化前后的最大等效應力、最大變形及質(zhì)量的變化,優(yōu)化后機架既達到了強度要求,又減小了整體的質(zhì)量。

▲圖16 優(yōu)化后沖擊工況下機架等效應力云圖▲圖17 優(yōu)化后沖擊工況下機架變形云圖

5 結(jié)束語

應用ANSYS Workbench有限元分析軟件對沖擊式夯實機機架在靜載時和沖擊工況下進行應力、應變分析。沖擊工況下,材料為Q235鋼時,機架安全因數(shù)較小。更換材料Q345鋼后,安全因數(shù)增大。進行拓撲優(yōu)化處理,使機架受力均勻,合理去材。進行優(yōu)化后機架應力、應變分析,沖擊工況下Q345鋼的安全因數(shù)達到約1.44,機架強度滿足要求,質(zhì)量減小約24%。