全液压平地机平衡箱体结构改进与有限元分析.pdf

I I j ≯搂 一 转动力头或液压凿岩机 1 1 ， 通过钻杆带动切削钻头 、 或冲击钻头 8 ， 实现钻头 回转 ， 同时空压机排渣系统 1 4工作 ， 压缩空气将岩渣从钻头中央向外吹出。 、 潜孔切削作业 潜孔挖掘机可作为 3 6 0 。 回转全 液压式切削钻机使用 ， 也可配备液压凿岩机或潜孑 L 冲击器实现冲击回转凿岩作业 。通过动臂与钻架复 合动作找准工作孔位 ， 钻架稳固地支撑在钻孔作业 面上 ， 开启 回转动力头 、 推进装置 ， 利用切削钻头钻 孔 ， 同时打开供气电磁阀以排出岩渣。回转上车， 在 行车一次定位的情况下可以钻多个孔。 3 性能特点 潜孑 L 挖掘机基于挖掘机系统 ， 在动臂前端安装 推进系统 ， 采用液压缸一 钢丝绳推进提升机构 ， 并配 备空气压缩机用于排渣 ， 平台可作 3 6 0 。 回转钻孔定 位 ，不仅能实现水平工作面和斜坡上的定位钻孔 ， 同时可实现垂直工作面上一定作业范 围内的水 平 钻孑 L ， 便于操作 ， 节省辅助作业时间 ， 工作效率高。 J L Z 8 0型潜孑 L 挖掘机 是在成熟 的 J L 7 5型液 压 挖掘机基础上 ， 采用最新 的挖掘功能技术和潜孔功 能技术进行的集成创新 ， 能满足红色页岩等特殊 的 地质结构区域 的城市化建设 、 新农 村建设 、 道路建 设和矿山开采等工况作业要求 ， 是 目前填补 国内空 白的创新产品， 有广阔的市场前景。 通信地址 浙江省杭州市萧山区所前镇浙江军联机械 电子 控股有限公司 3 1 1 2 5 4 收稿日期 2 0 1 0 0 8 3 0 全液压平地机平衡箱体结构改进与有限元分析 李松庆， 李小锋 ， 李建科 三一重工路面机械有限公司 摘要 采用有限元分析方法对恶劣工况下全液压平地机的平衡箱体进行静力学分析， 指出原箱 体刚度的不足。通过平衡箱体加载试验， 验证有限元模型与分析方法的准确性与可行性。 综合考虑有限 元分析结果与箱体齿轮布置空间约束， 提出若干改进方案。 采用因子分析法， 确定最优改进方案。 通过对 平衡箱体优化设计改进， 使其变形得到改善， 提高平衡箱体刚度， 保证箱体内其它零件的使用寿命。 关键词 全液压平地机 ； 平衡箱体 ； 有限元分析； 结构改进 全液压平地机 图 1 的传动路线为 发动机一 联轴器一液压泵一行走 马达一减速平衡箱一车轮 ， 其中平衡箱采用齿轮传动 ， 取代了传统平地机的链 传动平衡箱【 1 j 。行走马达与平衡箱之 问通过 内外花 键连接方式将动力传递给平衡箱 内各级齿轮 ， 最终 左右箱体通过输出轴 车轮轴 将动力传递 给 4个 车轮。整个平地机后桥质量 约 占整机质量的 7 5 ％ 完全 由 4 个车轮来支撑 ， 车轮对地面的支反力最终 反馈在平衡箱轴承座上 见图 2 。 因此 ， 平衡箱体的 刚度直接影响箱体 内各个零件的使用寿命 ， 尤其会 图 1全液 压 平 地机 作者简介 李松庆 1 9 8 3 一 ， 男 ， 湖南耒阳人 ， 工程师 ， 工学硕士 ， 研究方 向 平地机传动系统。 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 圆角 、 小螺纹孔及倒角等结构 ， 如 图 3所示 。将在 P r o ／ E中的设计模型直接导入 A N S YS软件 中进行 网格划分 。出于对计算精度和计算机硬件条件的综 合考虑 ， 安装输入轴 的内外轴承座处单元尺寸按 1 5 m m划分 ， 其余按 3 0 m m划分。 总节点数为 1 7 5 5 7 2 ， 总 单 元 数 为 9 2 4 9 5 。 材 料 定 义 内外 轴 承 座 为 Z G 2 3 5 4 5 0 ， 其余为 Q 3 4 5 B 。 1 ． 2 位移边界条件 左右箱体通过轴承座 Ⅱ与后桥 架相连 见 图 1 ， 后桥架通过螺栓 固定在后机架上 ， 在给整体结 构施加边界约束条件时， 轴承座 Ⅱ外表面的节点均 加以全约束 ， 近似底盘对平衡箱的支撑作用 。这种 际边界上的支撑并非绝对刚性 ， 因此存在一定 的计 算误差 主要是位移误差 。 但这种处理边界位移 的 方法在实际计算过程 中应用较为广泛 ， 并且在正确 选定边界零位移的范围后 ， 仍能得到较好的结果[Z l 。 1 ． 3 力边界 条件 整机质量按 1 5 ． 2 t 计算 ， 考虑恶劣工况 ， 按 3 倍 冲击载荷计算 ， 通过对 车轮轴进行受力分析 ， 求出平衡箱上 的支反力 。 车轮轴外轴承座 B， c处为 2 5 5 ． 9 4 0 k N，方 向向上 ；车轮轴内轴承座 D， E处为 1 7 7 ． 7 3 6 k N， 方向向下 参见图 4 。 1 ． 4 评 价 指标 因平衡箱 的刚度 主要影 响输入轴与行走马达 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 花键的同轴度 ， 故此次重点评价平衡箱 内外侧板的 应力与输入轴外轴承座的位移量。 2 箱体静态强度分析结果 有限元分析结果如图 5 所示。 图 5 箱体 内外侧板应力图 从计算结果可以看出， 箱体 主要受力在内外侧 板和输人轴 内外轴承座上。从图 5的内外侧板应力 分布 图可 以看 出 ，内外侧 板最 大 当量应力 达 到 4 4 3 ． 5 9 MP a ， 超过 内外侧板屈服极 限 3 4 5 MP a ， 即内 外侧板将发生塑性变形 。 输入轴外轴承座 y方 向最 大位移达到 1 ． 2 4 mm， 方向向上 图 6 。输入轴轴承 承受较大径 向力 ， 输入轴承受较大弯矩 ， 导致输入 轴与行走马达花键轴不同心 ， 最终会导致全液压平 地机行走马达主轴花键出现磨损或断裂现象。因此 增加内外侧板厚度 ， 在轴 承座 I、 Ⅱ之 间增设加强 筋是完全必要的。 3 试验验证 为验证有限元分析的准确性 ， 对平衡箱进行静 态刚度加载试验。因一般试验机无法进行约束 ， 故 本次试验直接对平地机整机进行加载试验 ， 图 7为 加 载试 验现 场 。 一 8 一 图 6 外轴承座位移图 图 7平 衡 箱加 载 试验 3 ． 1 试验方法 为与仿真分析边界条件保持一致 ， 将平地机前 后机架 、 前桥 、 后桥架 、 减速平衡箱总成按正常情况 进行装 配 ， 其余部件不需要装配 ； 采用 中心加载方 式 ， 载荷分 6个等级 ， 逐渐递增 ， 分别为 5 t ， 1 0t ， 1 5 t ， 2 0 t ， 2 5 t 和 3 0 t ， 用百分表测量输入轴外轴承座处 Y方向位移。 3 ． 2 试 验 结果 当载荷加载到 3 0 t 时， 外轴承座处 y方向位移 达到 1 ． 4 4 mm， 试验与仿真结果基本一致 ， 验证 了有 限元模型与仿真结果的准确性 。 4 改进方案 针对平衡箱箱体刚度较弱 ， 结合有限元分析结 果与箱体齿轮布置空间约束 ， 提出了若干种改进方 案 ， 对每种方案进行分析 ， 采用 因子分析法[5 1 ， 找 出 对评价值影响 因子大的方案再组合分析 ， 最后得到 以下改进 方案 1 将箱体 内外侧板加厚至 2 5 mm； 2 内外轴承座之间原有 2 块筋板 ， 增加至上下 共 6 块筋板 ； 3 箱体底部左右两侧各增加 1 块弧形筋板 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 叠 第 卷 绷1 年 2 月 j 工 程 机械 j 尸 叫 啪l膦 4 改进轴承座 Ⅱ下方筋板的形式及焊接方式 。 改进前后的箱体对 比如图 8和图 9所示。 图 8改进前的箱体 去内侧板 图 9改进后的箱体 去 内侧板 5 改进后箱体的静强度分析 改进后箱体的有限元分析结果如图 l 0和图 1 1 所示 。由图 1 0可以看出， 平衡箱体 内外侧板最大当 量应力 由原来的 4 4 3 ． 5 9 MP a减少到 2 3 2 ． 8 1 MP a ， 低 于内外侧板许用应力。由图 1 1 可见 ， 外轴承座处 l ， 方 向的最大位移 由原来 的 1 ． 2 4 mm减 少到现在 的 0 ． 1 8 m m， 改善效果显著。 6 结束语 在建立 了全液压平地机平衡 箱箱体 的有 限元 模型后 ， 对箱体进行有 限元仿 真计算 ， 并将仿真结 果与实车试验进行对 比。对箱体设计 中存在的问题 进行 了详细分析 ， 结合有限元分析结果及箱体齿轮 布置空问约束进行对 比 ， 提 出改进方案 ， 提高箱体 的整体刚度。 通过有限元分析得出以下结论 1 原平衡箱体 在平地 机受到 3倍 冲击载荷 时 ， 内外侧板容易发生塑性变形 ， 输入轴外轴 承座 图 l 0箱体 内外侧板应力图 图 1 1外轴 承 座 位 移 图 产生向上位移 ，使输入轴外支点承受较大径 向力 ， 导致输入轴与马达花键不同心 ， 最终影响全液压平 地机行走马达的使用寿命。 2 通过改进箱体结构 ， 提高了箱体刚度 ， 内外 侧板应力与输入轴外轴承座处的位移大为减小 。 目前 ， 改进后 的平衡箱箱体 已进入批量生产 阶 段 ， 该研究成果和结论为解决全液压平地机行走马 达主轴 的磨损故障提供 了重要 的理论依据和技术 支持 。 参考文献 [ 1 】李建科 ． 全液 压平地 机行 车制 动液压 系统 I J l _ 建筑 机 械 ， 2 0 0 8 5 8 1 ． 『 2 1孙进业． 用声一 吲耦合法研究发动机机体表面辐射噪声 [ D ] ． 长春 吉林大学 ， 2 0 0 0 ． 【 3 ]王望子． 汽 车设计[ M 】 ． 长春 吉林大学 ， 2 0 0 0 ． 【 4 ]孙志礼 ， 何 雪宏 ， 何韶君 ． 机械设计[ M I ． 北京 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 5 ]李松庆． 汽车一 自行车碰撞事故分 析及骑 车人头部损 伤 防护技术研究[ D 】 ． 长沙 湖南大学 ， 2 0 0 5 ． 通信地址 湖南长沙 --重 工路面机械有限公司 4 1 0 1 0 0 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 2 3 一 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m