基于SolidWorks的大型輪胎拆裝轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的設(shè)計(jì)

王文朝，孫增躍，袁 洲

（酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅蘭州 732750）

0 引言

0.1 SolidWorks 軟件簡介

SolidWorks 是世界上第一個(gè)基于Windows 開發(fā)的三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件，該軟件以參數(shù)化特征造型為基礎(chǔ)，具有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新等特點(diǎn)，能夠減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。因?yàn)镾olidWorks 使用了Windows OLE 技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的Parasolid 內(nèi)核以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，使SolidWorks 成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件之一[1]。

0.2 設(shè)計(jì)背景

隨著部隊(duì)機(jī)械化水平的不斷提高，各種輪式工程機(jī)械、大型裝備、大型載重車輛使用頻率越來越高，其輪胎、輪轂軸承、制動(dòng)蹄片在行駛作業(yè)中由于受工作環(huán)境、道路和載荷等因素的影響磨損較快，需要經(jīng)常的進(jìn)行維修、更換，拆裝比較頻繁。并且這些大型車輛裝備的輪胎總成、制動(dòng)鼓體積大、質(zhì)量大，各零部件配合間隙較小，因此拆裝非常困難，在維修保養(yǎng)中1 個(gè)人根本無法完成作業(yè)，即使是多人合作完成也存在一定安全隱患。

目前市場上沒有適合部隊(duì)修理機(jī)構(gòu)的專業(yè)拆裝設(shè)備，因此有必要研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、操作輕便的維修設(shè)備。

0.3 設(shè)計(jì)要求和總體思路

（1）設(shè)計(jì)要求。針對大型輪胎維修保養(yǎng)現(xiàn)狀，為提高維修效率，最大程度滿足不同型號輪胎總成的拆裝需要，現(xiàn)設(shè)計(jì)一臺專業(yè)化的大型輪胎拆裝轉(zhuǎn)運(yùn)平臺。針對部隊(duì)維修實(shí)際情況，主要有4 點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：①滿足多型號大輪胎的拆裝需求；②結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、實(shí)用性好；③可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降、轉(zhuǎn)運(yùn)方便且安全可靠；④經(jīng)濟(jì)性能好，制造成本低，可推廣性強(qiáng)。

這種設(shè)備適用于大中小各種維修機(jī)構(gòu)，既可在車間使用，也可在露天修理所使用，具有獨(dú)立工作能力，無需外接動(dòng)力。

（2）總體設(shè)計(jì)思路。以ZL50 裝載機(jī)輪胎（23.5 的斜紋尼龍輪胎，直徑約1500 mm、帶輪轂總重量在180 kg 左右）為工作對象，采用三角結(jié)構(gòu)將輪胎夾持，通過SolidWorks 軟件進(jìn)行零件和裝配體的三維建模，然后通過Motion 插件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過simulation 插件對其進(jìn)行有限元分析，最后加工制作出樣品進(jìn)行實(shí)物工作驗(yàn)證。

1 大型輪胎拆裝轉(zhuǎn)運(yùn)平臺設(shè)計(jì)

對大型輪胎拆裝轉(zhuǎn)運(yùn)平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工作需要先對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行論證，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮：①必須保持整體平衡且轉(zhuǎn)運(yùn)安全方便；②工作時(shí)輪胎夾持必須穩(wěn)定可靠。

大型輪胎拆裝轉(zhuǎn)運(yùn)平臺是輪胎維修工作裝置，主要用于大型輪胎的拆卸、轉(zhuǎn)運(yùn)、安裝，因此要保證各部件強(qiáng)度滿足要求。本文據(jù)此對大型輪胎拆裝轉(zhuǎn)運(yùn)平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1 大型輪胎拆裝轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的整機(jī)模型

大型輪胎拆裝轉(zhuǎn)運(yùn)平臺包括移動(dòng)底座、夾持機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)等，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中底座輪子采用三角布局設(shè)置，保證轉(zhuǎn)運(yùn)過程的穩(wěn)定性。液壓系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)置在底座上，當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)夾持輪胎時(shí)能保證整機(jī)的平衡性。

1.2 移動(dòng)底座設(shè)計(jì)及三維建模

移動(dòng)底座包括底座架、三塊底座鋼板、轉(zhuǎn)向輪、定向輪、轉(zhuǎn)向桿和立柱，其三維模型如圖2 所示。其中底座架由長60 mm，寬60 mm，壁厚3 mm 的管材焊接而成。3 塊底座鋼板焊接在底座架上，兩邊鋼板長480 mm、寬370 mm、厚2 mm，中間鋼板長480 mm、寬340 mm、厚5 mm。立柱由長80 mm、寬60 mm、壁 厚3 mm、高1300 mm 的管材與邊長120 mm、厚5 mm 的鋼板焊接組成，通過4個(gè)M12 螺栓與中間的底座鋼板連接。兩個(gè)定向輪分別在底座架前段兩側(cè)焊接。轉(zhuǎn)向輪在底座架后端中央處焊接，并通過螺栓螺母與轉(zhuǎn)向桿連接。轉(zhuǎn)向桿用鋼管和鋼板焊接而成，總高度為1028 mm、底部架長170 mm、鋼板厚6 mm。

圖1 結(jié)構(gòu)示意

定向輪、轉(zhuǎn)向輪為71 系列腳輪，型號分別為Z412-200-113、Z411-200-113，具體參數(shù)見表1。

1.3 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維建模

圖2 移動(dòng)底座的三維模型

夾持機(jī)構(gòu)包括滾輪，連接架，壓緊桿和支撐桿，三維模型如圖3 所示。連接架用10 mm 鋼板和60 mm×80 mm、厚3 mm的管材焊接壓緊桿用同樣的管材焊接成直角形狀，下端套入連接架中，上端設(shè)置限位孔，工作時(shí)插入2 個(gè)限位銷以保證輪胎不會(huì)前后方向傾倒。2 個(gè)支撐桿為受力桿，由60 mm×80 mm，厚3 mm 的管材與滑塊焊接而成，滑塊與連接架橫梁用吊環(huán)螺釘固定。

圖1 改造后冷油卻系統(tǒng)

表1 腳輪參數(shù)

4 個(gè)滾輪與立柱相切，從而實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定升降，滾輪型號為RE.FF-100-RBL，主要參數(shù)見表2。

1.4 液壓、動(dòng)力系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)

圖3 夾持機(jī)構(gòu)的三維模型

表2 滾輪參數(shù)

液壓系統(tǒng)包括液壓泵站、液壓缸、液壓管等，動(dòng)力系統(tǒng)配備2塊12 V、16 AH 聚能膠電池作為電源，也可以就車取用電源，設(shè)置4 鍵式控制手柄。工作原理是2塊12 V 蓄電池串聯(lián)向液壓泵站供電，通過控制手柄控制兩個(gè)液壓缸的升降，如圖4 所示。液壓泵站體積為400 mm×400 mm×700 mm；其中，直流電機(jī)型號為DC2GN6-N-24-32s，液壓泵流量100 L/h，額定壓力16 MPa；選用四通道電磁控制閥；液壓缸型號為HSGK01-50/28E-1701-500，主要參數(shù)見表3。

圖4 液壓系統(tǒng)原理

表3 液壓缸參數(shù)

4 根液壓管，長1500 mm，耐壓強(qiáng)度16 MPa，接口為18 mm×1.5 mm 平口，一端加90°彎管，分別與液壓缸進(jìn)出油口和4 通道電磁控制閥連接。液壓缸推力校核計(jì)算，可忽略設(shè)備重量，用最大輪胎質(zhì)量m=180 kg 計(jì)算，安全系數(shù)設(shè)置為2，因此，由表3可知，液壓缸推力F=314 00 N，最大輪胎G=mg×2=180×9.8×2=3528 N。結(jié)論：F＞G，液壓系統(tǒng)滿足推力要求。

1.5 整機(jī)裝配

新建一個(gè)裝配體文件，將設(shè)計(jì)好的各個(gè)零部件導(dǎo)入裝配體進(jìn)行裝配，并且進(jìn)行體積干涉檢查和裝配體統(tǒng)計(jì)，配合后的三維模型如圖5 所示。

2 運(yùn)動(dòng)仿真

SolidWorks Motion 插件是一個(gè)虛擬原型機(jī)仿真工具，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，可得到系統(tǒng)中各零部件的運(yùn)動(dòng)情況，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等情況，并以動(dòng)畫、圖形和表格等多種形式輸出結(jié)果[2]。

本文所設(shè)計(jì)的內(nèi)容只涉及液壓缸的升降運(yùn)動(dòng)。因此，現(xiàn)對液壓缸1 的升降運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，首先打開裝配體，然后打開SolidWorks Motion 插件進(jìn)入仿真界面，新建一個(gè)運(yùn)動(dòng)算例，選擇Motion 分析，對液壓缸1 的活塞桿添加線性馬達(dá)，方向?yàn)閅 軸正方向，驅(qū)動(dòng)函數(shù)選擇距離，由表3 可知，距離大小為液壓缸最大行程500 mm，開始時(shí)間為0 s，持續(xù)時(shí)間為11 s，幀數(shù)為50，計(jì)算運(yùn)動(dòng)算例。最后生成運(yùn)動(dòng)結(jié)果圖解見圖6。通過運(yùn)動(dòng)仿真分析可知，裝配體無干涉部分，液壓缸能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)升降運(yùn)動(dòng)，滿足工作要求。

圖5 大型輪胎拆裝轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的三維模型

圖6 運(yùn)動(dòng)結(jié)果圖解

3 夾持模塊的有限元分析

有限元法就是將一個(gè)連續(xù)的求解域離散化，最后求出近似解的方法，通過有限元分析，可以近似地判斷出設(shè)計(jì)的零件是否能夠承受實(shí)際工作環(huán)境下的載荷。SolidWorks Simulation 是與SolidWorks 軟件完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，通過SolidWorks Simulation 在計(jì)算機(jī)上仿真分析可取代昂貴并費(fèi)時(shí)的實(shí)際測試，可降低成本[3]。本文運(yùn)用SolidWorks Simulation 插件進(jìn)行有限元分析。

3.1 受力分析

對整機(jī)進(jìn)行受力分析可知，主要負(fù)載受力是兩個(gè)支撐桿受輪胎的壓力，其他部分都不受主要的負(fù)載力，為了簡化模型，只對夾持模塊的連接架和支撐桿進(jìn)行靜力學(xué)分析。

對支撐桿進(jìn)行受力分析，如圖7 所示，其中，F(xiàn) 為支撐桿所受力。因此可得

3.2 有限元分析模型的建立

將夾持模塊導(dǎo)入SolidWorks Simulation 中，新建靜力學(xué)分析算例，應(yīng)用材料為普通碳鋼，零部件接觸為全局接觸，接觸類型為接合，并且選擇兼容網(wǎng)格，夾具為固定幾何體。為模擬支撐桿受力，將F 用如圖8 中所示的受力等效代替，即各平面受力均為F'=Fsin45=882 N。網(wǎng)格劃分主要參數(shù)見表4。

圖7 支撐桿受力

3.3 有限元分析結(jié)果

應(yīng)力分析結(jié)果，如圖9 所示，變形比例為24.3058。由圖9 可知，最大應(yīng)力為8.157 MPa，位于節(jié)點(diǎn)2088 處，最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，即σmax＜［σ］，因此，應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。位移分析結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知，支撐桿最前端節(jié)點(diǎn)為5048 處位移變形D 最大，D=5.475 mm，根據(jù)實(shí)際工作判斷，最大變形滿足實(shí)際工作情況。

圖8 網(wǎng)格劃分

表4 網(wǎng)格劃分主要參數(shù)

4 實(shí)物制作與應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)物加工制作，實(shí)物如圖11 所示。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，該裝置能夠有效降低工作強(qiáng)度，轉(zhuǎn)運(yùn)平穩(wěn)性好，操作方便，特別是能通過按鈕開關(guān)調(diào)整輪胎的高度，比其他手動(dòng)式的升降方法輕松方便了許多，同時(shí)也滿足了安全要求，并且場地占有率較小，適用范圍大，極大地提高了維修工作效率。

圖9 應(yīng)力分析

圖10 位移分析圖

圖11 實(shí)物