T型牽引架結(jié)構(gòu)及其多工況加載分析

苗國華

(山東臨工工程機(jī)械有限公司，山東 臨沂 276023)

0 引 言

平地機(jī)是一種以鏟刀為主、多種附具可選，主要用于大面積平整場地、修路、刮坡、挖溝、修邊渠、排水溝、除雪、松土、推土、開荒等工況的作業(yè)機(jī)械。平地機(jī)的牽引架屬于箱型構(gòu)件，用于安裝回轉(zhuǎn)架及其鏟刀等。國內(nèi)外對平地機(jī)工作裝置的研究主要集中于平地機(jī)最大牽引力、最大下壓力等工況下的靜力強(qiáng)度校核[1]。為研究多工況下T型牽引架的受力特性，基于CATIA DMU模塊建立工作裝置運(yùn)動仿真模型，通過仿真獲得最大牽引力、最大下壓力，以及鏟刀帶載回轉(zhuǎn)、刮邊溝、刮坡等工況時T型牽引架的空間位置和各球鉸接的空間坐標(biāo)，建立局部坐標(biāo)系對T型牽引架等效約束，并將多工況下載荷等效到T型牽引架上。應(yīng)用CATIA GAS模塊和有限元法對T型牽引架多工況進(jìn)行分析，為工作裝置整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)和參考。

1 T型牽引架結(jié)構(gòu)及其多工況空間位置

某型號平地機(jī)工作裝置如圖1所示，主要由左小臂、左提升油缸、右小臂、右提升油缸、擺架連桿、側(cè)擺油缸、T型牽引架、回轉(zhuǎn)架、回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、鏟刀、傾角支架以及傾角油缸等組成。

左右小臂分別通過銷軸與前車架鉸接連接，同時又分別與擺架連桿兩端通過銷軸鉸接連接。左右提升油缸支架分別與左右小臂鉸接連接。左右提升油缸支架、左右小臂及擺架連桿構(gòu)成平地機(jī)工作裝置中的擺架連桿機(jī)構(gòu)。擺架連桿有若干定位孔，通過前車架的鎖緊油缸鎖緊擺架連桿不同位置孔，從而實現(xiàn)擺架連桿的調(diào)整。左、右升降油缸一端分別與左、右提升油缸支架鉸接連接，另外一端分別與T型牽引架的2個球頭鉸接；側(cè)擺油缸一端與擺架連桿固定球頭球鉸接，另外一端與T型牽引架球頭球鉸接。T型牽引架與前車架球面連接?；剞D(zhuǎn)架通過回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動，可繞T型牽引架實現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)；鏟刀與傾角支架移動副連接，并通過傾角支架與回轉(zhuǎn)架鉸接，傾角油缸一端與傾角支架鉸接，另外一端與回轉(zhuǎn)架鉸接。

由上述分析可知，平地機(jī)工作裝置是多自由度、多維度的復(fù)合空間機(jī)構(gòu)，通過復(fù)合動作實現(xiàn)鏟刀多維空間運(yùn)動，即T型牽引架也為多維空間運(yùn)動，從而滿足多種工況需求。

圖1 某型號平地機(jī)工作裝置

根據(jù)上述平地機(jī)工作裝置各部件的運(yùn)動關(guān)系，抽象出各部件運(yùn)動副關(guān)系，基于CATIA DMU模塊實現(xiàn)工作裝置各部件的約束到運(yùn)動副關(guān)系的轉(zhuǎn)變，并對球鉸副按照實際狀況進(jìn)行等效處理，限制其繞本身軸線的自由度，建立工作裝置運(yùn)動仿真模型[2]。參考實際操作過程編制仿真模型，獲得多種工況下T牽引架的空間位置，如圖2所示。

以刮邊坡工況(圖3)為例，以牽引球頭的球心為原點(diǎn)，T型牽引架方向為X軸，垂直地面為Y軸，應(yīng)用右手法則建立局部坐標(biāo)軸系A(chǔ)1；以左提升球頭球心為原點(diǎn)，球心與左提升油缸支架鉸接點(diǎn)連線為X軸，左提升球頭軸線為Y軸，應(yīng)用右手法則建立局部坐標(biāo)系B1；以右提升球頭球心為原點(diǎn)，球心與右提升油缸支架鉸接點(diǎn)連線為X軸，右提升球頭軸線為Y軸，應(yīng)用右手法則建立局部坐標(biāo)系C1；以側(cè)擺球頭球心為原點(diǎn)，球心與側(cè)擺油缸球鉸接點(diǎn)連線為X軸，側(cè)擺球頭軸線為Y軸，應(yīng)用右手法則建立局部坐標(biāo)系D1。應(yīng)用上述方法分別建立均勻打滑工況、鏟刀最大下壓力工況、帶載回轉(zhuǎn)工況、刮邊溝工況、刮邊坡工況及刮溝工況下T型牽引架與其他部件連接處各球頭的局部坐標(biāo)系。

2 平地機(jī)多工況載荷分析

2.1 均勻打滑工況

平地機(jī)最大牽引力取決于2個方面：一是傳動系統(tǒng)最大扭矩決定的最大牽引力，二是由地面附著條件決定的最大牽引力。從保護(hù)傳動系統(tǒng)部件和整機(jī)性能等方面考慮，在整機(jī)設(shè)計過程中傳動系統(tǒng)決定的最大牽引力要高于地面附著系數(shù)決定的牽引力，因此均勻打滑工況下的負(fù)載

式中：ψ為平地機(jī)后橋載荷分配系數(shù)，取0.7；φ為地面附著系數(shù)，取0.75；G為某型號平地機(jī)整機(jī)質(zhì)量，為23 000 kg；g為重力加速度，取9.8 m·s-2。

2.2 最大下壓力工況

操縱鏟刀提升油缸和側(cè)擺油缸，使鏟刀支撐地面并使前輪離地，此時鏟刀支撐地面力為最大下壓力，此工況下前輪離地后失去轉(zhuǎn)向作用，整機(jī)喪失正常工作的能力，因此此下壓力為鏟刀下壓極限工況。左后兩輪與右后兩輪可分別繞后橋軸線上下擺動，將后輪等效簡化為以后橋軸線為支點(diǎn)的兩輪驅(qū)動，由力矩平衡原理可知，鏟刀下切使前輪離地時有

式中：Fb為鏟刀下壓力(kN)；L為平地機(jī)前后軸橋距(mm)，某型號平地機(jī)軸距為7 080 mm；Lb為平地機(jī)鏟刀距，即前橋軸線與鏟刀切削刃水平方向距離(mm)，某型號平地機(jī)鏟刀距為2 810 mm；Gf為某型號平地機(jī)前橋分配質(zhì)量，為6 900 kg。

2.3 帶載回轉(zhuǎn)工況

鏟刀帶載回轉(zhuǎn)能力取決于兩方面：一是雙油缸擺動回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在油缸壓力溢流情況下鏟刀的回轉(zhuǎn)能力[3]；二是鏟刀伸出到某側(cè)鏟刀單側(cè)受力使前輪出現(xiàn)側(cè)滑時鏟刀的回轉(zhuǎn)能力。設(shè)計時擺動回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所提供的回轉(zhuǎn)力大于鏟刀單側(cè)受力導(dǎo)致前輪出現(xiàn)側(cè)滑時鏟刀的回轉(zhuǎn)能力。當(dāng)前輪出現(xiàn)側(cè)滑時整機(jī)不穩(wěn)定，不能有效工作[4]，因此可根據(jù)前輪出現(xiàn)側(cè)滑時鏟刀的回轉(zhuǎn)力進(jìn)行校核。后輪等效簡化為以后橋軸線為支點(diǎn)的兩輪驅(qū)動，不考慮滾動阻力且假定后驅(qū)動輪沒有出現(xiàn)打滑，如圖4所示。

圖4 帶載回轉(zhuǎn)簡易示意

以右后輪輪胎中心為支點(diǎn)，由受力平衡和力矩平衡關(guān)系可知

(1)

由式(1)可知

式中：FC為前輪出現(xiàn)側(cè)滑時鏟刀偏載載荷(kN)；FLD、FRD分別為左、右后輪胎驅(qū)動力(kN)；FLF、FRF分別為左、右前輪胎側(cè)滑力(kN)；FLR、FRR分別為左、右后輪胎側(cè)滑力(kN)；W為輪距(mm)，某型號輪距為2 390 mm；d為鏟刀側(cè)伸后與某側(cè)輪胎的距離，取1 618 mm；φf為前輪側(cè)滑系數(shù)，取0.75。

2.4 刮邊溝工況

刮邊溝工況負(fù)載的大小取決于整機(jī)后輪是否出現(xiàn)打滑，以及刮邊溝產(chǎn)生的側(cè)偏扭矩是否導(dǎo)致前輪出現(xiàn)側(cè)滑，兩者取小值。刮邊溝工況簡易示意如圖5所示。

圖5 刮邊溝工況簡易示意

式中：FE為前輪出現(xiàn)側(cè)滑時鏟刀刮邊溝偏載載荷( kN )；E為鏟刀刮邊溝時與某側(cè)輪胎的距離，取835 mm。

2.5 刮邊坡工況

平地機(jī)還用于道路邊坡的施工，根據(jù)設(shè)計要求調(diào)整工作裝置使鏟刀刮邊坡，此工況下刮邊坡負(fù)載一方面取決于整機(jī)后輪是否出現(xiàn)打滑，以及刮邊坡產(chǎn)生的側(cè)偏扭矩是否導(dǎo)致前輪出現(xiàn)側(cè)滑，兩者取小值。刮邊坡工況簡易示意如圖6所示。

圖6 刮邊坡簡易示意

式中：FH為前輪出現(xiàn)側(cè)滑時鏟刀刮邊坡偏載載荷(kN)；H為鏟刀刮邊坡時與某側(cè)輪胎的距離，取1 813 mm。

2.6 刮溝工況

平地機(jī)還用于刮溝或刮豎直坡的工作，此工況下刮溝負(fù)載一方面取決于整機(jī)后輪是否出現(xiàn)打滑，以及刮溝產(chǎn)生的側(cè)偏扭矩是否導(dǎo)致前輪出現(xiàn)側(cè)滑，兩者取小值。刮溝工況簡易示意如圖7所示。

圖7 刮溝簡易示意

式中：FK為前輪出現(xiàn)側(cè)滑時鏟刀刮溝偏載載荷(kN)；K為鏟刀刮溝時與某側(cè)輪胎的距離，取420 mm。

因FK大于地面附著系數(shù)決定的牽引力，此時整機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)打滑，因此取FK=118.3 kN。

3 T型牽引架載荷等效處理及有限元模型的建立

3.1 載荷等效處理及約束建立

以刮邊坡工況為例，參考圖8，載荷等效處理如下：邊坡載荷FH等效為回轉(zhuǎn)架中心面與鏟刀切削刃交叉點(diǎn)的載荷FHeq,邊坡載荷FH引起的回轉(zhuǎn)載荷M等效為回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪載荷Fgear。

式中：M為等效回轉(zhuǎn)載荷；de為邊坡工況載荷點(diǎn)到回轉(zhuǎn)架中心面的距離(mm)，此工況下為1 550 mm；dc為回轉(zhuǎn)架齒輪直徑，為1 626 mm；n為回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪個數(shù)，此機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪個數(shù)為2；Fgear為驅(qū)動齒輪等效回轉(zhuǎn)力(kN)。

圖8 刮邊坡等效載荷示意

將各工況下的鏟刀載荷分別等效為柔性虛件支撐點(diǎn)載荷和回轉(zhuǎn)力矩載荷進(jìn)行簡化處理。虛件支撐點(diǎn)處建立局部坐標(biāo)系，其中X方向為鏟刀載荷作用方向，虛件支撐點(diǎn)的載荷與鏟刀載荷大小相等，方向為局部坐標(biāo)系的X方向。鏟刀載荷引起的回轉(zhuǎn)力矩載荷通過力矩平衡關(guān)系和回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪與回轉(zhuǎn)架的機(jī)構(gòu)關(guān)系等效為回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪載荷。以回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪與回轉(zhuǎn)架嚙合點(diǎn)為原點(diǎn)，嚙合點(diǎn)切線方向為X軸，驅(qū)動齒輪軸線為Y軸，應(yīng)用右手法則建立局部坐標(biāo)系，回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪載荷方向為局部坐標(biāo)系的X軸方向。鏟刀提升油缸和側(cè)擺油缸簡化處理，對油缸運(yùn)動方向進(jìn)行約束處理。根據(jù)上文分析的各工況下牽引球頭的局部坐標(biāo)系，在各工況分析時分別約束牽引球頭局部坐標(biāo)系A(chǔ)1的X、Y、Z三個方向的約束、左提升球頭局部坐標(biāo)系B1的X方向約束、右提升球頭局部坐標(biāo)系C1的X方向約束和側(cè)擺球頭局部坐標(biāo)系D1的X方向約束。

3.2 模型簡化處理

將模型從CATIA DMU模塊轉(zhuǎn)換到GAS模塊[5]，對工作裝置簡化等效處理，將回轉(zhuǎn)架、傾角支架及鏟刀簡化為一個部件并進(jìn)行柔性虛件處理,柔性虛件的設(shè)置支撐面為回轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的安裝接觸面，柔性虛件支撐點(diǎn)為回轉(zhuǎn)架中心平面與鏟刀切削刃交叉點(diǎn)。牽引球頭、T型牽引架、回轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)屬于部裝件，需要建立有限元分析模型來明確各零部件之間的聯(lián)接特性，包括相互位置及力的傳遞關(guān)系，從而保證載荷和應(yīng)力在部件之間通過聯(lián)接特性進(jìn)行有效傳遞。回轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)部件與T型牽引架的螺栓連接簡化為柔性連接特性，回轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)部件與T型牽引架的面接觸簡化為柔性聯(lián)接特性。回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪與T型牽引架之間的回轉(zhuǎn)油缸簡化為柔性聯(lián)接特性，回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪與T型牽引架回轉(zhuǎn)約束簡化為滑動聯(lián)接特性，回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪與T型牽引架的軸向約束簡化為滑動聯(lián)接特性。牽引球頭與T型牽引架的螺栓聯(lián)接簡化為柔性聯(lián)接特性。牽引球頭、T型牽引架、回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪為焊接部件，因此分別通過CATIA將焊接部件轉(zhuǎn)換為一個零件幾何體，其中T型牽引架關(guān)鍵焊縫處參考國際焊接學(xué)會的焊接結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則進(jìn)行ENS(Effective Notch Stress)處理。

應(yīng)用GAS模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，牽引球頭與T型牽引架采用四面體單元，牽引球頭網(wǎng)格大小為20 mm，T型牽引架網(wǎng)格大小為20 mm，局部網(wǎng)格大小為10 mm，其中關(guān)鍵焊縫處網(wǎng)格單元為1 mm， T型牽引架主體材料采用Q345B，各連接球鉸與牽引球頭材料采用42CrMo。各材料的性能參數(shù)見表1。

表1 材料的性能參數(shù)

4 分 析

應(yīng)用GAS模塊對各工況下的T型牽引架進(jìn)行分析，得到各工況下T型牽引架等效應(yīng)力云圖，如圖9所示。

圖9 T型牽引架等效應(yīng)力云圖

根據(jù)分析結(jié)果可知：均勻打滑工況T型牽引架最大應(yīng)力位于T型牽引架導(dǎo)向支撐板焊接處，為269 MPa；最大下壓力工況T型牽引架整體應(yīng)力為188 MPa，位于加強(qiáng)筋板；鏟刀帶載回轉(zhuǎn)工況下T型牽引架主體應(yīng)力為227 MPa，牽引球頭應(yīng)力為318 MPa；刮邊溝工況整體應(yīng)力為273 MPa；刮邊坡工況T型牽引架主體應(yīng)力為221 MPa，牽引球頭最大應(yīng)力

325 MPa；刮溝工況下最大應(yīng)力也出現(xiàn)在導(dǎo)向支撐板焊接處，為302 MPa。各工況下T型牽引架主體應(yīng)力都小于345 MPa，牽引球頭應(yīng)力小于970 MPa，故整個T型牽引架強(qiáng)度滿足使用要求。

5 結(jié) 語

(1)基于CATIA DMU模塊建立工作裝置仿真模型，獲得T型牽引架各常用工況下的空間位置，并建立各工況下T型牽引架各球鉸的局部坐標(biāo)系。

(2)結(jié)合實際情況分析多工況下工作裝置載荷特性，并對鏟刀載荷等效簡化為虛件支撐點(diǎn)載荷和回轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪回轉(zhuǎn)力矩載荷，在GAS模塊中對模型簡化等效處理，建立T型牽引架的有限元模型、約束及加載條件。

(3)分析獲得各常用工況下T型牽引架的等效應(yīng)力云圖，結(jié)果表明：各工況下T型牽引架滿足強(qiáng)度要求，也符合工程實際情況，為工作裝置整體結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化提供有效依據(jù)；采用CATIA可實現(xiàn)復(fù)雜機(jī)構(gòu)空間運(yùn)動仿真、空間位置約束、結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)用負(fù)載等效簡化處理方法可有效分析復(fù)雜空間機(jī)構(gòu)，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率。