模塊運輸車動力單元的設計及優化

【摘 要】動力單元設計是模塊運輸車設計中非常重要的一個環節，研究如何在較小的空間內設計布置出可以輸出大功率驅動液壓系統并能保證框架結構強度、各機構正常工作的動力單元尤為重要。根據模塊運輸車工作的實際需求，結合以往類似產品的結構形式和設計經驗，分析模塊運輸車動力單元的已知參數，建立相關的設計模型，進行安裝架結構設計及有限元分析、發動機選型匹配及成套設計、動力單元的布置及優化設計。

【關鍵詞】模塊運輸車；動力單元；有限元分析；優化設計

模塊運輸車是一種自帶動力、靜液壓驅動、液壓懸掛升降、可實現模塊式組合并車的重型運輸設備，在鋼廠、港口、大型鋼箱梁制造基地等領域中，廣泛應用于大型鋼箱梁節段的場內運輸[1]，圖1為6軸模塊運輸車結構圖。模塊運輸車的工作過程可描述為：通過輪組上的升降系統降低運輸車自身高度后，自行駛入待運載貨物下方，然后通過升降系統升高車架頂升起貨物，最后利用輪組的動力轉向系統將貨物轉運到任意指定的地方，整個過程無需其它起吊設備輔助。動力單元的作用是為模塊車提供走行、轉向驅動力。

模塊運輸車動力單元的設計，即通過液壓系統的計算在滿足工作要求的情況下，對動力單元較小空間內的設計布置，尤其是發動機總成的布置，并能保證動力單元安裝架結構強度、各機構正常工作、液壓及發動機系統散熱良好。如何設計動力單元內部各部件之間的相對位置，使各部件能完成其工作職能并便于安裝、更換、維護，是整個產品設計中的一個重點和難點。目前，模塊運輸車的設計大多屬于面向訂單的設計，根據施工需要要求動力單元本身不帶走行輪組，對整體高度有嚴格的要求，為此，如何在有限的空間下設計出具有大功率輸出功能的動力單元，使模塊運輸車適應更為嚴格的工況，已成為企業競爭取得成功的關鍵[2-3]。本文以某型號模塊運輸車動力單元為研究對象，在對其結構進行分析的基礎上，結合整車的參數需求進行設計，通過有限元計算進行分析及優化，快速有效地得到動力單元結構的最優結果。

1 動力單元的總體設計

模塊車動力單元在發動機輸出端裝有分動箱，由分動箱分別驅動液壓走行馬達及均衡、轉向馬達，具有結構緊湊，傳動效率高的特點。動力單元主體采用框架式結構，側面及頂面多處使用柵格板封面，以加強通風散熱效果，框架與車體之間采用上部調節油缸連接、下部鉸軸連接的連接方式，可通過收縮調節油缸抬起動力單元前端，根據現場需要形成0°～10°的仰角，以提高整車接近角和離地角適應行駛道路的縱向坡度。

設計時，將客戶提出的工作條件以及工作環境等為已知條件，通過分析模塊車的工作參數及類型，建立適合的動力單元初步模型。模塊運輸車依據客戶需求及使用條件，對整車尺寸提出了長寬高的外形要求，對模塊車動力單元也由整車條件提出其外形要求，其中對高度要求最高，動力單元整體高度需小于850mm，外形尺寸為3700×3000×850mm。

2 動力單元的組成

動力單元的主要由動力系統、液壓系統及電氣系統三大部分組成，其中動力系統由發動機、分動箱、空氣濾清器、進氣散熱器、中間冷卻器、消音器、蓄電池、燃油箱組成；壓系統由液壓油冷卻器、液壓泵、液壓油箱、調節油缸組成；電氣系統由各電氣元件、控制器集成于兩個電氣控制柜內。對動力單元內的組成部分進行布置，見圖2。

3 動力單元的設計過程

3.1 液壓及動力系統計算及發動機選型

依據液壓系統的計算，見表1：

根據表1中液壓系統的計算結果，同時參考各發動機廠家產品庫中已有的發動機產品，選擇了滿足動力單元尺寸需求特別是高度需求的發動機產品，為德國MAN公司的MU6876型臥式柴油機，該發動機功率參數為375kw/2100r。

3.2 安裝架設計及各部件的布置

根據安裝架及發動機的結構特點，發動機的安裝方式采用懸掛式，發動機三點支撐，其中一點在風扇端支撐，另外兩點通過分動箱兩個支腿支撐，而分動箱與發動機飛輪殼連接。液壓油泵通過分動箱的聯軸器與發動機飛輪連接，以用于發動機輸出功率。

通過布置發動機、分動箱、空氣濾清器、進氣散熱器、中間冷卻器、消音器、蓄電池、燃油箱、液壓油冷卻器、液壓泵、液壓油箱、調節油缸及兩個電氣控制柜等部件初步完成安裝架的設計，安裝架由各型號矩形管焊接而成。

3.3 各部件的調整及安裝架結構強度的優化

通過動力單元內各部件在安裝架內的布置情況進行三維建模，對各部分之間有相互干涉、影響使用、不便于維護的部件位置進行調整，其中特別對發動機的散熱系統進行了調整及試驗，使各部件能在安裝架內發揮各自的職能。

各部件位置固定后，依據總體受力、各部件受力及動力單元振動情況，對安裝架進行有限元分析，對于某些應力集中的位置進行了優化和補強，從而保證了整個動力單元的使用強度。優化后的動力單元安裝架的有限元分析結果如圖3。

4 結論

本文以某型號模塊運輸車為例，分析了動力單元結構的的設計過程，該設計的成果受到客戶的廣泛好評，成品如圖4所示。

該模塊運輸車的動力單元得到了滿足所有約束條件的結構參數值最優組合，快速準確地實現了動力單元結構的優化設計。整個動力單元設計具有如下特點：（1）該動力單元的設計在同功率輸出的模塊車中，結構緊湊，動力單元高度達到了極限尺寸，有效的滿足了整車的應用需求；（2）該動力單元的設計具有模塊化的特點，可實現不同類型模塊車的互換。此外，該設計及優化方法適用于與動力單元相似的產品的設計中，對其它產品的設計具有一定的參考價值。

【參考文獻】

[1]劉楠，仲梁維.起重機車輪組的快速參數化設計研究[J].港工技術，2012，49（3）：15-18.

[2]張質文.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1998.

[3]阮日升.門式起重機參數化設計系統關鍵技術研究[J].機械設計與制造，2010（1）：16-18.

[責任編輯：周娜]