大中型压雪车履带的轻量化可靠性设计.pdf
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1、大中型压雪车履带的轻量化可靠性设计*崔玉莲,马智萌(陆军装甲兵学院 车辆工程系,北京100072)摘要:履带是压雪车整机中的重中之重。为减小室外大、中型压雪车的质量,减小接地比压,且满足可靠性和可用度要求,需要对压雪车履带进行轻量化可靠性设计。文中主要从结构优化、轻量化材料选用和制造工艺等途径对室外大中型压雪车履带的轻量化设计进行分析,并基于虚拟样机技术对履带板的使用寿命进行预计,为提高履带整体的性能提供技术支撑。关键词:压雪车履带;轻量化设计;寿命预计中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:1001-2354(2023)S1-0059-04Reliable lightweight de
2、sign of outdoor large and medium-sizedcaterpillar trackCUI Yulian,MA Zhimeng(Vehicle Engineering Department,Academy of Army Armored Forces,Beijing 100072)Abstract:Track is the most important thing in the whole machine of caterpillar.In order to reduce the weight of large and me-dium-sized outdoor ca
3、terpillar,reduce the specific grounding pressure,and meet the requirements of reliability and availability,itis necessary to design reliable lightweight caterpillar track.This paper mainly analyzes the lightweight design of outdoor large andmedium-sized caterpillar track from the aspects of structur
4、e optimization,lightweight material selection and manufacturing process,and predicts the life of the track plate based on virtual prototype technology,providing technical support for improving the overallperformance of the track.Key words:caterpillar track;lightweight design;life prediction*收稿日期:202
5、3-03-12;修订日期:2023-05-17基金项目:国家重点研发资助项目(2020YFF0304001)2015年,北京获得2022年冬奥会举办权,几年来,国内滑雪场和滑雪人数成几何倍数增长。为给人们提供好的滑雪体验,室外大、中型压雪车成为大型滑雪场必备设备之一。因为冰雪路面使用条件的复杂性,室外大、中型压雪车通常使用履带行驶装置,如图1所示。履带由多个履带板组成,通过牢固的纤维增强橡胶环带连接。压雪车即借助封闭的履带,实现路面的自铺,且具有良好的通过性和足够好的机动性,从而可通过各种天然或人工障碍,实现压雪、平雪、推雪和打碎硬雪等功能。通常在履带板上安装锯齿板和防滑钉,增大压雪车在冰雪路
6、面的抓地力,使其在上下坡过程中,能牢牢地抓住地面,与地面之间有良好的相互作用,不会发生滑移。履带是压雪车整机中的重中之重,因它不仅关系到压雪车的工作性能,而且占整车比例比较大。履带质量大会使压雪车接地比压增大、加速性能下降、增大燃料消耗、缩短悬挂装置的使用寿命等。而且压雪车不仅是在低温的有较大坡度的雪场上工作,而且在工作过程中还有在山石上行走的情况,这样对履带的质量要求就更高。压雪车履带由数十块履带板、数条牢固的橡胶环形带,以及用于连接的各零件组成。优化履带的结图1压雪车履带总成图第 40 卷 增 刊 12023 年 7 月Vol.40S1Jul.2023机械设计JOURNAL OF MACH
7、INE DESIGNDOI:10.13841/ki.jxsj.2023.s1.036机 械 设 计第40卷增刊1构、减小履带质量、改进履带材料从而提高和改善履带综合性能和可靠性,是对压雪车履带的基本要求。因此,履带的轻量化可靠性设计成为当前室外大、中型压雪车亟需解决的问题。为减小室外大、中型压雪车质量,减小接地比压,且满足可靠性和可用度要求,对压雪车履带进行轻量化可靠性设计1-2。1压雪车履带的轻量化设计1.1总体思路压雪车履带的轻量化是一个设计优化的完整过程。轻量化的目的在于将履带的自身质量减到最小,同时还要保证其功能、安全和可靠性等。目前,履带的轻量化技术手段主要包括3个方面,即轻量化结构
8、优化、轻量化材料应用和制造工艺,且这3个方面是相辅相成的。如图2所示。轻量化结构设计,主要是利用现代设计技术如反求工程设计和有限元分析等技术,结合设计人员的经验,从形状、尺寸等方面对压雪车履带结构进行优化,在满足强度、刚度和可靠性要求等的前提下,实现结构方面的轻量化,并确保与地面接触面积大,以便很好地分散设备的重力,减小接地比压。轻量化材料的应用,主要是研究轻质金属合金和轻质非金属材料在履带上的应用方案,特别是高强度的轻质金属合金在履带上的应用,在进一步减小质量的同时,保证履带的强度、刚度等,有效防止使用过程中履带产生变形或断裂而导致出现故障。轻量化工艺主要关注创新的零件成型技术和零件制造工艺
9、。履带结构经过优化后,新的结构形式满足了轻量化的设计要求,但利用原先的工艺手段可能已经无法实现此时的结构形式,因此,需要新的工艺手段和加工条件。同样,采用新型材料后,也需要比较特殊的制造、焊接手艺或者成型方式。轻量化工艺技术与结构优化设计和新材料的应用相辅相成,能为轻量化结构设计本身或者新材料的应用提供更多的选择空间。1.2压雪车履带板的结构优化设计履带板是压雪车履带的核心部件,直接与路面接触,经受扭压和弯曲等作用力,作业环境恶劣,但对其质量要求很高,整条履带中任何一块履带板损坏,都会直接影响到整车的运行状态。结构设计是否合理对履带板的质量影响很大,设计合理的结构具有质量小、可靠度高、材料利用
10、率高等特点。以往,设计过程往往取决于设计人员的经验,设计的产品很难保证结构是最优的,质量是最小的。随着优化理论的发展和完善,以及计算机技术的发展和广泛应用,结构优化变得越来越方便容易。目前,很多CAE分析软件已将最优化设计方法集成在软件之中,设有专门的优化设计模块,设计人员不需要掌握高深的优化理论,即可方便地进行结构优化设计。而且与材料轻量化技术相比较通常需要较长的研发周期,研发成本较高,结构轻量化可以在较少的资金投入、较短的研发周期情况下,通过对零部件进行薄壁化、中空化、小型化和复合化等方面的结构分析优化,快捷地实现零部件的精简、整体化及轻量化,达到轻量化目的。结构优化包括拓扑优化、形状优化
11、和尺寸优化等。拓扑优化是利用现代设计方法,在限定的设计空间内寻找求解材料的最优分布形态或结构的最优传力形式,一般是在结构的概念设计阶段应用,有助于发现未知的更好结构形式。形状优化是指在已有的拓扑方案的基础上,通过优化局部结构的几何或边界形貌,从而得到工作性能最佳和材料使用最省的结构形式。其基本思路是将结构的质量或受力选作目标函数,将描述结构形状的几何信息作为设计变量,通过调整设计变量,最终获得受力最优且质量小的形状,通常用于基本设计阶段。尺寸优化是3种优化方法中最容易实现且应用最广泛的技术,其最终目的是通过调整尺寸的大小寻找一组最佳尺寸的组合。常用的方法是将结构的尺寸,如板厚、杆的截面积等作为
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