平地機車架鉸接板應力分析及優化

秦宇

摘要： 目前平地機的車架形式為鉸接式，鉸接機構是平地機的主要運動機構之一，主要連接前后車架兩大結構件，發揮連接、轉向和承載的作用。兩大構件的薄弱環節就是鉸接部分的結構板件。針對某型號平地機試驗樣機在試驗過程中出現下鉸接板變形的現象，通過有限元分析軟件，建立鉸接機構仿真模型，分析鉸接板材應力分布情況，并提出最終的改進方案。

關鍵詞： 平地機;鉸接;有限元分析;應力

前言

平地機是一種高速、高效、高精度和多用途的土方工程機械。它的車架形式大多為鉸接式，由前后車架與鉸接系統組成，是平地機驅動力的傳遞構件和承載構件。它的可靠性直接關系到整車的工作性能。

本文針對某型號平地機試驗樣機在測試過程中出現下鉸接板變形的現象，通過有限元分析方法，對該鉸接機構的鉸接板進行有限元的應力分析，并根據分析結果，對鉸接板進行優化改進，滿足平地機工況的使用要求。

工況分析

平地機鉸接系統的受力比較復雜，前后車架的長度較長，中間通過關節軸承與銷軸連接，在平地機使用過程中，前后車架的鉸接板處承受的載荷與彎矩較大。根據受力特點及實際作業狀況，選取兩種典型工況進行分析。為了計算方便，對前后車架鉸接結構進行簡化，建立模型如圖1：

工況一：正常行駛工況。各部件的重量及加載位置如下：前配重450kg，前橋和輪胎重966kg，加載位置簡化為前橋中心;前車架1620kg，工作裝置2230kg，加載位置簡化為前車架擺動位置中心，設置行駛動載系數為3。

工況二：鏟刀頂起地面工況。各部件的重量及加載位置如下：鏟刀支撐力為80KN，前車架1620kg，工作裝置2230kg，加載位置簡化為前車架擺動位置中心;前配重450kg，前橋和輪胎重966kg，加載位置簡化為前橋中心，設置工作動載系數為2。

約束和加載

本分析采用ansys-workbench軟件，整個結構相連接處都建立綁定接觸，劃分網格尺寸為10mm，建立模型如圖2：

約束

上鉸接約束：上關節軸承與上鉸銷定義球鉸接，上關節軸承與后車架定義綁接接觸，上鉸銷與前車架上蓋板鉸接孔定義無摩擦接觸，上鉸銷與前車架下蓋板鉸接孔定義綁接接觸;

下鉸接約束：下關節軸承與下鉸銷定義球鉸接，下關節軸承與前車架定義綁接接觸，下鉸銷與后車架上蓋板鉸接孔定義無摩擦接觸，上鉸銷與前車架下蓋板鉸接孔定義無摩擦接觸，下鉸銷與后車架上蓋板上表面建議綁定接觸，下鉸銷與后車架下面的底蓋板建立綁定接觸。

加載

前車架載荷全部簡化到前車架箱型的4塊板上，采用遠端力remote-force加載，考慮了彎矩的影響。主要載荷加載詳細見下面的工況分析圖3和圖4：

計算結果分析

工況一計算結果如圖5

前車架鉸接板結構整體應力低于后車架鉸接板結構;下鉸接關注部位，后車架下鉸接上蓋板邊緣大部分區域應力大于110MPa。

工況二計算結果如圖6

前車架鉸接板結構整體應力低于后車架鉸接板結構;下鉸接關注部位，后車架下鉸接上蓋板邊緣大部分區域應力大于100MPa。

優化分析

從分析結果看，后車架的下鉸接上蓋板邊緣處的應力值較大，初步判斷是樣機下鉸接板變形的主要原因。針對上述情況，我們把下鉸接上蓋板的邊緣處加寬20mm，重新建立分析模型，對比相同工況下的應力值。

針對工況一，改進后模型（如圖7）應力約80MPa，應力值降低了約28%。針對工況二，改進后模型（如圖8）應力值約65MPa，應力降低了約35%。改進模型的應力比原模型降低了28～35%，鉸接孔承載剛度增加，高于100MPa的紅色區域比原模型小很多，，改進效果明顯。

結束語

通過有限元分析的計算結果，對典型工況進行了模擬，找到了樣機鉸接板變形的根本原因，并對鉸接板進行了改進及驗證，保證了產品的可靠性，同時也突出了分析工作的指導性和重要性。

經設計優化的車架鉸接板的該系列平地機，已經批量上市使用，再沒有出現鉸接板變形的現象。

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