大型履带排水车可旋转式支腿CAE分析及优化.pdf
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1、 机械工程师 MFCHAN CAL ENGl NEER 大 型履带排水车可 旋转式支腿C A E 分析及优化 张功元 l I2 , 朱鹏鹏 , 林志国 , 彭倩 , 蔡 源欣 , 1 厦门理工学院机械 与汽 车工程 学院 , 福建厦门3 6 1 0 2 4 ; 2 福建侨 龙专用车有限公司 , 福 建 龙岩3 6 4 0 0 0 3 厦门威迪思汽车设计服务有限公司, 福建 厦门 3 6 l 0 2 4) 0引 言 移动泵站作为固定泵站 的重要补充 , 具有投资小 、 适 用范围广 、 机动性强等特点。 大型履带排水车作为移动泵 站的一种 ,可以行驶到现场作业 ,尤其适用于大面积农 田、 沼泽等
2、特殊领域。可旋转支腿作 为举升机构 , 是保证 大型履带车机动性的基础 ,同时解决 已有车辆支腿超 出 C B 1 5 8 9 2 0 0 4限宽要求的问题 ; 花键 、 花键套在静态条件 下的强度和支腿的稳定性是保证支腿正常 、可靠工作 的 前提 , 因此开展花键 、 花键套强度和支腿稳定性研究对提 高可旋转支腿的性能具 有重要意义。 借助 H y P e r M e s h和 O p t i S t r u c t 软件 ,建立 大型履带 排水车模型 分析静力下花键 、 花键套的刚强度和支腿 的 稳定性 ; 在此基础上对可旋转支腿半径进行尺寸优化 , 并 检验优化后支腿的稳定性 。 1 方
3、法与材料 1 | i作凉理 r 作原理 : 螺旋花键通过 L j 配对零件的配合, 达到驱 动齿轮在轴向直线运动的吲时产生旋转运动 J。螺旋花键 的螺距 为 1 0 0 0 m i l l , 支腿伸f j 2 5 0 m i l l 的同时旋转 9 0 。 。 可旋转支腿如图 1 所示 ,由伸缩机构 和升降机构组 成 , 呈 “ T ” 字 形 。伸 缩 机 构 由 花 键 轴 、花 键套 和伸缩 油缸 构成 ;举 升 机 构 由支腿 和 举 升 油 缸 构成。 可 旋 转 支腿 T作 过 程 如 图 2所 示 ,包 括 伸 缩过程和举升过程。 伸缩过程 : 花键轴会受到来 自伸缩油 缸的轴
4、向外力 , 花键轴进行平动和转动两个动作 , 举升机 构随花键轴一起运动 , 由水平横向旋转到竖直方向; 举升 过程: 在举升油缸作用下 , 支腿逐渐伸长, 举升整个车辆 。 2 评价指标 保证履带车被举 到最高位置_T况下花键 、花键套刚 强度和支腿 的稳定性是确保机构稳定工作的前提 。在伸 缩过程支腿未着地 , 花键和支腿受到的力都较小 ; 在举升 过程 , 花键轴不再旋转 , 支腿伸最长时稳定性最差。 网 址: , v f i x g c s C O rn 电 邮 h r b e n g i n e e r 1 6 3 c o m 2 0 1 5 年第1 2 期 l 9 9 学兔兔 w
5、w w .x u e t u t u .c o m 机械 工程 师 Ni AI FN( 1 ) 强度和刚度 强度表示结构抵抗破坏的能力 尤论 是蜊性材料达到屈服极限时产生 的塑性变形 ,还是脆性 材料达到强度极限时构件发生突然断裂,都认为是材料 失效:考虑到安全 系数建 的强度条件为 。 ( 1 ) 其中 r 厂 是考虑到安全系数的强度极限或朋服极 限。 刚度表示材料或结构抵抗 变形的能 力,刚度 K南公 式( 2 ) 求得: K= P 6 。 ( 2) 其中: P表示施 力; 占表示变形量。 2 ) 稳定性 。 稳定性是受 力构件保持稳定平衡的能力, 当构件长细 比过大 ,在不大的作用力下导
6、致突然发生作 用 力平 吾 i 外的极大变形而不能保持平衡 ,常用屈曲分析 来研究结构的稳定性。 程中有些承受轴向压力的杆件在 满足强度条件时 , 却不能保证安全可靠地 I : 作 , 会突然发 生明显的弯曲变形 , 丧失承载能 力, 这种现象称为稳定失 效 。 腰 曲丰要发生在细长或薄壁结构 卜? 使用有限厄方 法先在结构上施切卜 个参考载荷 然后通过线性静态 分析得到结构心力, 该应力将用于几何刚度矩阵 ; 的构 建 , 最后通过求解特 征值问题得到厢曲凶子 , 计算公式 为 ( K AKG) r = 0、 ( 3) 式 中: K是结构的刚度矩 阵; A是参考载荷的放火 系数 使刚 L a
7、 l l ( z o s 方法求解特征值问题 , 该方法只求解较低阶 的一些特征值、 最小的 A与 结构屈 曲有关 , 凶为一旦发生 结构 已经 失效 所以通常情况不需 婴考虑后面的特 征值J f 晡临界载荷可以根据公式( 4 ) 计算得 :厂一 , A I ( 4 ) I r 有限元建模 曩 _ 1 ) 有限冗模型。大型履带排水车是由液压驱动泵l一 装蹬( 包括驱动单 C 、 泵段、 排水路管以及辅助系统 l 等) I亏 疆带底 集成 泵段通过系统自 带液压辅甘 J 系 l 蠹 统旋转、 仲缩, 快速就位, 并将水流引向履带侧而输水 I 管将水排向远处 排水车的具体参数如表 l 所示 1 为
8、提高有I E ; A 运算速度 、 保证结果的精确度, 进I 行适当简化 i l 重心不变的前提下, 将车体简化成【 一 个“ 方 龠” ; 忽 略剩余部件的过渡网 、 定位孔倒 加 以及螺栓孔 ; t 忽略表而 q 下去 的非一 T : 作而 ; d 零件 问是片 】 焊接 、 铆接和螺栓连接 , 选用 l D的刚性单 模 拟各种连接 履带车的有限 亡 模型如l 矧3 ,有限 已 模型 点数 共计 5 3 5 l 2 7 ,总 元数 1 5 0 l 6 5 7 其中 l I ) 单元数 l 9 8 9 , 壳 元数 5 3 3 5 2 0 , 四面体数 9 6 6 1 4 8 。 采用 四面
9、 体 格 埘花键轴 、 花键套结构进行网格划分; 支腿 下 部分采J t J b e a n - 单 ; 其它部件采用壳单元。 为模型中 每个单 己 赋予材料特性 , 部件材料属性参数如表 2 所 2 ) 刚强度分析边 界条件 、约束没定 为: 约束支腿 下端的 6个 内f _I 度, 其他部件用刚性焊接的方式连接 定化 、 载_衙设定为 : 所有部件赋予 f 身的蘑 力 ,将简化 部件的重 力均匀r f ,J I ,i 在“ 方盒”卜 表 l QL L Y3 0 0 0大型履带排水 车参数 K Il 1 l l 】 宽 l1 l l l1 商, l 1 l I1 I 匝 I 最高1 速 (
10、k i l l h 表 2 部件材料属性参数 部件 材料 屈服强度 M P a 惭度 ( k g Il l 。 )弹性模 G P a泊松比 花键、 花键套 4 5钢 3 5 5 7 8 9 0 2 0 9 O 2 6 9 支腿 Q 3 4 5 3 4 5 7 8 5 0 2 0 6 0 2 8 0 其它 Q 2 3 5 2 3 5 7 8 5 0 2 1 o 0 2 7 4 3 ) 稳定性分 析边 界条件 分 离单个支腿分析 其稳定性 ,约束 设定如下 :将 支 腿 下端 的 6个 f t I l 1 度约求, f 端 一南载荷 没定 如下: 在 支腿 l 施 力 l 】 载衙 f 为 4 0
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