洪印濤，許明明

(黎明職業(yè)大學(xué) 智能制造工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

路面銑刨機(jī)作為高等級(jí)公路及城市養(yǎng)護(hù)機(jī)械化的主要的機(jī)種之一，可以實(shí)現(xiàn)瀝青舊路再生利用。主要用于維修翻新瀝青混凝土路面層，可以用于清除路面油浪、鼓包、網(wǎng)紋、車轍等缺陷，還可以用于開挖路面溝槽以及實(shí)現(xiàn)水泥路面的拉毛及面層錯(cuò)臺(tái)的銑平[1]。在路面周期性養(yǎng)護(hù)的高峰階段，很多市政部門或者大型小區(qū)也都配備銑刨機(jī)，主要以窄體輪式銑刨機(jī)為主，方便停放及養(yǎng)護(hù)，具有較高的便攜性[2]。銑刨機(jī)的構(gòu)造主要包括車架、輸料裝置、行走系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工作裝置等。因此，銑刨機(jī)可以按照銑刨寬度、輸料形式、銑刨驅(qū)動(dòng)形式、行走驅(qū)動(dòng)形式進(jìn)行分類[3]。本文主要研究市政使用的小型銑刨機(jī)，以徐州某公司XM101Q為車型[4]，重點(diǎn)研究其后輪折疊腿在使用過程中的受力情況，擬為中小型銑刨機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供一些參考。

1 銑刨機(jī)工作原理

1.1 銑刨驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

銑刨驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用機(jī)械鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式,具有銑刨平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)。該系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、彈性聯(lián)軸器、離合器、傳動(dòng)軸、齒輪箱、鏈條等主要部件組成。采用進(jìn)口高彈性聯(lián)軸器，緩沖銑刨路面時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷，保護(hù)傳動(dòng)系。傳動(dòng)上裝有安全銷，當(dāng)遇到較大的沖擊或載荷過大時(shí)，安全銷斷裂，保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)不受損壞[5]。

1.2 銑刨裝置

刀頭采用美國凱南麥特刀頭、刀座，堅(jiān)固耐用。硬質(zhì)合金材料的刀頭具有超強(qiáng)的耐磨性，使用壽命長。以螺旋排布形式，使刀具的受力更為合理，減少刀具的非正常磨損；銑刨輪進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，最大限度減小由于偏心帶導(dǎo)致的震動(dòng)和噪聲[6]。

1.3 行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓機(jī)械混合驅(qū)動(dòng)形式，分為工作和行走兩檔速度。系統(tǒng)主要部件為行走泵、行走馬達(dá)、齒輪箱、傳動(dòng)軸、前橋、左右后輪等。行駛速度可達(dá)13 km/h，轉(zhuǎn)場速度快，特別適合市區(qū)性質(zhì)范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)場施工，節(jié)省時(shí)間和運(yùn)輸成本。XM101Q的最大工作速度可達(dá)21 m/min，并具有行車制動(dòng)，可增加操作的安全性。

1.4 支腿升降裝置

為實(shí)現(xiàn)后輪支腿的折疊，升降內(nèi)筒與牽引外筒之間形成一個(gè)封閉的液壓缸。升降內(nèi)筒可以在牽引外筒上沿鍵槽上下移動(dòng)。當(dāng)支腿需要切換位置時(shí)，可以將升降內(nèi)筒升起，脫離地面以便進(jìn)行折疊；當(dāng)支腿折疊移動(dòng)到所需位置后再將內(nèi)筒降下，使輪胎與地面接觸。折疊過程中支腿繞著旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)支撐板起支撐固定作用。如圖1所示。

支腿的升降折疊可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，具備優(yōu)良的貼邊銑刨功能。常規(guī)情況下，右后支腿處于機(jī)架外側(cè)，左右兩后輪為同軸，可以進(jìn)行普通路況以及井蓋等特殊路況的銑刨。而當(dāng)銑刨公路邊緣時(shí)，左、右后輪可方便地折疊旋入機(jī)架內(nèi)側(cè)，實(shí)現(xiàn)貼邊銑刨[7]。

2 仿真模型的建立和驗(yàn)證

在使用過程中，出現(xiàn)后輪支腿升降裝置內(nèi)筒底座變形及焊縫開裂現(xiàn)象，因此，對(duì)后輪支腿升降裝置做結(jié)構(gòu)仿真分析。

2.1 后輪模型網(wǎng)格劃分

通過hypermesh(有限元網(wǎng)格劃分)軟件手動(dòng)進(jìn)行劃分，主要采用正六面體網(wǎng)格，以增加仿真的精確性。劃分網(wǎng)格前須去除一些對(duì)仿真結(jié)果影響不大的細(xì)節(jié)，簡化模型，減少網(wǎng)格處理后整體的分析計(jì)算量[8]。去除的細(xì)節(jié)主要有模型的倒角、細(xì)小的孔、對(duì)結(jié)果影響不大的細(xì)小曲面等。劃分后的網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 XM101Q支腿有限元網(wǎng)格劃分模型

2.2 材料屬性添加

在Ansys(有限元仿真分析)軟件中添加材料屬性，各零部件接觸參數(shù)如表1所示。

表1 升降裝置零件材料屬性

2.3 定義零件的接觸形式

升降內(nèi)筒與牽引外筒之間、外筒上的鍵與升降內(nèi)筒上的鍵槽之間、牽引外筒和鍵之間，在正常工作時(shí)均無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此，零件內(nèi)的接觸設(shè)為boned(粘結(jié))方式[9]。升降內(nèi)筒與法蘭盤之間，牽引外筒與加強(qiáng)板、筋板、連接板、旋轉(zhuǎn)軸之間采用焊接形式連接[10]。整個(gè)裝配件共有8個(gè)接觸對(duì)，如圖3所示。

圖3 支腿載荷施加位置(共 8個(gè)接觸對(duì))

2.4 載荷與固定約束設(shè)置

經(jīng)過力學(xué)模型簡化，支腿升降裝置固定約束設(shè)定在法蘭盤螺栓上，如圖4所示。

因銑刨機(jī)工作時(shí)，為攤鋪均勻，一般為勻速前進(jìn)，故認(rèn)為此時(shí)支腿所受的載荷為恒力。XM101Q的工作速度為0～13 m/min，額定功率為125 kW，整機(jī)額定功率為14 500 kg，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 200 r/min。通過理論力學(xué)計(jì)算，可將受力載荷分為兩個(gè)恒力：一個(gè)是垂直方向的載荷45 kN，作用在旋轉(zhuǎn)支撐板上；另一個(gè)力是水平方向的牽引力86.9 kN，均勻作用在旋轉(zhuǎn)軸上。

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果主要從支腿折疊部件整體、支腿內(nèi)筒和支腿外筒3個(gè)方面查看。

支腿折疊部件整體最大變形5.4 mm，出現(xiàn)在外筒上部，由上而下逐漸減小。整體最大應(yīng)力489 MPa，出現(xiàn)在支腿底部焊接處，主要是彎矩所致。如圖5、圖6所示。

外筒最大變形5.4 mm，出現(xiàn)在外筒頂部；外筒最大應(yīng)力79.1 MPa，出現(xiàn)在鍵槽孔處。如圖7、圖8所示。

圖7 支腿外筒變形云圖 圖8 支腿外筒應(yīng)力云圖

內(nèi)筒最大變形3.2 mm，出現(xiàn)在頂部，由上至下變形逐漸減小。內(nèi)筒最大應(yīng)力312.3 MPa，出現(xiàn)在底處。內(nèi)筒與鍵槽接觸處最大應(yīng)力127.1 MPa。如圖9、圖10所示。

圖9 支腿內(nèi)筒變形云圖 圖10 支腿內(nèi)筒與鍵槽接觸處應(yīng)力云圖

這是因?yàn)榱慵閮啥耸芰?，底端固定約束，因此內(nèi)筒的最大變形在最上端；而底端與連接板及固定板焊接一起，在兩端受力時(shí)，外筒頂端最先變形。內(nèi)外筒應(yīng)力最大處為內(nèi)外筒升降導(dǎo)向裝配位置，主要原因是設(shè)備工作時(shí)，外筒上的伸縮鍵與內(nèi)筒鍵槽過盈配合。隨著鍵槽與導(dǎo)向鍵之間的力增大到一定數(shù)值后，內(nèi)外筒筒壁之間開始大面積接觸受力，承擔(dān)內(nèi)外筒的主要載荷，因此鍵槽位置的受力不會(huì)過大。

4 結(jié)論與建議

通過結(jié)構(gòu)分析可知，支腿大部分零件所受的應(yīng)力強(qiáng)度滿足許用應(yīng)力要求。但升降內(nèi)筒與法蘭盤焊接處所受應(yīng)力最大，并且部分應(yīng)力集中在法蘭盤螺栓連接處，整體最大應(yīng)力在489 MPa，主要是彎矩所致。為改善后輪支腿升降裝置在正常使用中出現(xiàn)的部分機(jī)型內(nèi)筒底座變形及焊縫開裂現(xiàn)象，建議如下。

(1)改進(jìn)升降內(nèi)筒與法蘭盤連接處的焊接工藝。裝配時(shí),焊件應(yīng)保證軸向?qū)?zhǔn),盡可能減少其表面錯(cuò)邊；施焊前，清除焊縫邊緣上的氧化物、潮濕和油污等，焊縫間隙和坡口應(yīng)符合焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)；焊接后，焊縫表面不應(yīng)有裂紋、焊瘤、氣孔、咬邊以及未填滿的弧坑和凹陷，如有以上缺陷應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。

(2)增大法蘭盤的尺寸厚度，在使用工況載荷不變的情況下，減少螺栓連接處的應(yīng)力，將法蘭盤的厚度由原有的1.6 cm提高為4 cm，將底部的最大應(yīng)力控制在200 MPa以內(nèi)。

(3)在不影響內(nèi)筒升降行程的前提下，也可在法蘭盤與升降內(nèi)筒之間增加加強(qiáng)筋，但具體受力情況應(yīng)重新進(jìn)行受力分析評(píng)估。

按以上措施進(jìn)行整改后，仍須對(duì)銑刨機(jī)的后續(xù)售后使用進(jìn)行跟進(jìn)反饋，落實(shí)改進(jìn)效果。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)往往采用公式計(jì)算的方式。但設(shè)計(jì)零件較多時(shí)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)無法對(duì)所有零件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，而使用仿真軟件則可以對(duì)可能發(fā)生故障的部件和部位進(jìn)行預(yù)測，降低計(jì)算強(qiáng)度，縮短工期，有效降低故障率。