混凝土泵車中間套分析及改進(jìn)優(yōu)化

吳慶勇

（柳工建機(jī)江蘇有限公司，江蘇啟東226236）

中間套是混凝土泵車的泵送系統(tǒng)的重要組成零件，雖是易損件，但是要求使用壽命較長(zhǎng)，需達(dá)到5萬方以上。一旦損壞，會(huì)造成停泵的嚴(yán)重后果，而且更換也需要較長(zhǎng)時(shí)間，因此會(huì)給用戶帶來較大的損失和工期的延誤，造成用戶的嚴(yán)重抱怨，進(jìn)而影響公司產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

公司某型號(hào)混凝土泵車反饋中間套變形（如圖1所示）甚至斷裂損壞，使用壽命較低，更換新的中間套后也很快損壞，因此有必要對(duì)中間套進(jìn)行分析，查找損壞的原因。

圖1 中間套損壞照片

本文以中間套及相關(guān)局部結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，應(yīng)用Workbench分析方法[1]，對(duì)中間套及相關(guān)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析，并給出受力分析和改進(jìn)方案，為中間套的優(yōu)化和改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 受力分析

中間套和大襯套用螺栓一起固定在料斗上，出口彎管用右端銷軸與中間套鉸接，左端大銷軸螺紋緊固在中間套上，用螺母進(jìn)行鎖定，大銷軸尾段有插銷孔，插銷將出口彎管通過大銷軸緊緊固定在一起，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 泵送系統(tǒng)局部視圖

因此，中間套的受力由出口壓力通過右端銷軸、插銷和左端大銷軸傳遞而來，所以中間套中間固定，兩端承受彎矩。

該型號(hào)泵車采用閉式液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力為p=35 MPa，主油缸缸徑d=φ140 mm，輸送缸缸徑D=φ260 mm，出口彎管直徑d1=φ175 mm.

中間套材料性能：材料為ZG35CrMo，屈服強(qiáng)度為510 MPa，抗拉強(qiáng)度為740 MPa，根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，許用應(yīng)力：[σ]=（σs）/n=383.5 MPa.安全系數(shù)：n=1.33[2].

2 有限元模型

用Proe軟件建立如圖2所示三維實(shí)體模型，導(dǎo)入Workbench進(jìn)行分析[3]，劃分網(wǎng)格，添加有限元信息，建立計(jì)算模型，應(yīng)用Workbeach軟件進(jìn)行有限元計(jì)算，并給出了計(jì)算結(jié)果。

2.1 模型簡(jiǎn)化

基于實(shí)體結(jié)構(gòu)，有限元模型作如下簡(jiǎn)化：

（1）螺栓簡(jiǎn)化成銷軸，并用綁定連接中間套、大襯套和料斗擋板。

（2）左端大銷軸與中間套使用綁定連接。

（3）右端銷軸和出口彎管使用接觸連接，插銷和左端大銷軸及出口彎管使用接觸連接。

（4）使用實(shí)體六面體單元模擬，單元具有超彈性，應(yīng)力鋼化，蠕變，大變形和大應(yīng)變能力。還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料。

（5）對(duì)于焊縫采用綁定連接進(jìn)行模擬。

網(wǎng)格劃分如下圖3所示。

圖3 網(wǎng)格化分

2.2 約束及載荷

對(duì)料斗擋板四面固定，模擬料斗的焊接結(jié)構(gòu)。在出口彎管內(nèi)壁施加30.5 t的力，模擬出料口的沖擊力（如圖4所示）。

圖4 約束及載荷

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

通過workbench自帶求解器求解出結(jié)果，本文的研究對(duì)象為中間套，隱藏其它零件，得到中間套的等效應(yīng)力云圖（如圖5、圖6）和位移云圖（如圖7）。等效應(yīng)力云圖中應(yīng)力段劃分根據(jù)中間套的屈服強(qiáng)度和許用應(yīng)力進(jìn)行設(shè)置，其余應(yīng)力段劃分隨機(jī)生成。位移云圖中位移段劃分隨機(jī)生成。

圖5 中間套應(yīng)力云圖

圖6 中間套應(yīng)力云圖

圖7 中間套位移云圖（放大100倍）

3.2 結(jié)果分析

通過云圖分析，去除部分的虛假應(yīng)力集中，中間套部分應(yīng)力已經(jīng)超過了許用應(yīng)力，局部甚至大于屈服應(yīng)力，而且位移變形達(dá)到了5.1 mm，需要對(duì)中間套加以優(yōu)化改進(jìn)。

4 改進(jìn)方案

中間套為鑄造件，由于材料更改成本增加較大，材料不更改。鑒于中間套承受彎矩過大，現(xiàn)更改方案如圖所示8：

圖8 改進(jìn)方案圖

由于大銷軸受拉，直接在料斗擋板上焊接螺母板，將拉力傳遞到料斗擋板上，使中間套左端不再承受彎矩，需要校核螺母板焊縫應(yīng)力是否滿足。

4.1 改進(jìn)方案校核

改進(jìn)三維模型，使用Workbench進(jìn)行分析。計(jì)算得到中間套的等效應(yīng)力云圖（如圖9）和位移云圖（如圖10）如下：

圖9 中間套應(yīng)力云圖

圖10 中間套位移云圖

4.2 結(jié)果分析

通過云圖分析，中間套的應(yīng)力降到了許用應(yīng)力以下，變形也降到了1.3 mm以下；而且螺母板的焊接應(yīng)力也滿足使用要求，因此改進(jìn)方案是有效的。

5 結(jié)束語

本文應(yīng)用Workbench有限元分析軟件，對(duì)混凝土泵車中間套進(jìn)行了分析，計(jì)算得到較為準(zhǔn)確的剛度和強(qiáng)度結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果提供了改進(jìn)方案并進(jìn)行了校核計(jì)算。根據(jù)改進(jìn)方案對(duì)泵車進(jìn)行了改進(jìn)，目前該方案已經(jīng)使用一年以上沒有反饋，證明改進(jìn)有效。同時(shí)為中間套的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了提供了一種快速有效的途徑。

另外通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)左端銷軸應(yīng)力過大，需加以改進(jìn)，本文不再贅述。

[1]博弈創(chuàng)作室.ANSYS11.0LS-DYNA基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐[M].北京：中國水利電出版社，2008.

[2]顧迪民.工程起重機(jī)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988.

[3]殷有泉.非線性有限元基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2007.