基于SolidWorks的大型輪胎拆裝轉運平臺的設計

王文朝，孫增躍，袁 洲

（酒泉衛星發射中心，甘肅蘭州 732750）

0 引言

0.1 SolidWorks 軟件簡介

SolidWorks 是世界上第一個基于Windows 開發的三維實體設計軟件，該軟件以參數化特征造型為基礎，具有功能強大、易學易用和技術創新等特點，能夠減少設計過程中的錯誤以及提高產品質量。因為SolidWorks 使用了Windows OLE 技術、直觀式設計技術、先進的Parasolid 內核以及良好的與第三方軟件的集成技術，使SolidWorks 成為全球裝機量最大、最好用的軟件之一[1]。

0.2 設計背景

隨著部隊機械化水平的不斷提高，各種輪式工程機械、大型裝備、大型載重車輛使用頻率越來越高，其輪胎、輪轂軸承、制動蹄片在行駛作業中由于受工作環境、道路和載荷等因素的影響磨損較快，需要經常的進行維修、更換，拆裝比較頻繁。并且這些大型車輛裝備的輪胎總成、制動鼓體積大、質量大，各零部件配合間隙較小，因此拆裝非常困難，在維修保養中1 個人根本無法完成作業，即使是多人合作完成也存在一定安全隱患。

目前市場上沒有適合部隊修理機構的專業拆裝設備，因此有必要研發一種結構簡單、操作輕便的維修設備。

0.3 設計要求和總體思路

（1）設計要求。針對大型輪胎維修保養現狀，為提高維修效率，最大程度滿足不同型號輪胎總成的拆裝需要，現設計一臺專業化的大型輪胎拆裝轉運平臺。針對部隊維修實際情況，主要有4 點設計要求：①滿足多型號大輪胎的拆裝需求；②結構簡單、操作方便、實用性好；③可以實現自動升降、轉運方便且安全可靠；④經濟性能好，制造成本低，可推廣性強。

這種設備適用于大中小各種維修機構，既可在車間使用，也可在露天修理所使用，具有獨立工作能力，無需外接動力。

（2）總體設計思路。以ZL50 裝載機輪胎（23.5 的斜紋尼龍輪胎，直徑約1500 mm、帶輪轂總重量在180 kg 左右）為工作對象，采用三角結構將輪胎夾持，通過SolidWorks 軟件進行零件和裝配體的三維建模，然后通過Motion 插件進行運動仿真，通過simulation 插件對其進行有限元分析，最后加工制作出樣品進行實物工作驗證。

1 大型輪胎拆裝轉運平臺設計

對大型輪胎拆裝轉運平臺進行設計時，應結合實際工作需要先對整體結構進行論證，結構設計應該考慮：①必須保持整體平衡且轉運安全方便；②工作時輪胎夾持必須穩定可靠。

大型輪胎拆裝轉運平臺是輪胎維修工作裝置，主要用于大型輪胎的拆卸、轉運、安裝，因此要保證各部件強度滿足要求。本文據此對大型輪胎拆裝轉運平臺進行結構設計。

1.1 大型輪胎拆裝轉運平臺的整機模型

大型輪胎拆裝轉運平臺包括移動底座、夾持機構、液壓系統和動力系統等，結構如圖1 所示。其中底座輪子采用三角布局設置，保證轉運過程的穩定性。液壓系統和動力系統設置在底座上，當夾持機構夾持輪胎時能保證整機的平衡性。

1.2 移動底座設計及三維建模

移動底座包括底座架、三塊底座鋼板、轉向輪、定向輪、轉向桿和立柱，其三維模型如圖2 所示。其中底座架由長60 mm，寬60 mm，壁厚3 mm 的管材焊接而成。3 塊底座鋼板焊接在底座架上，兩邊鋼板長480 mm、寬370 mm、厚2 mm，中間鋼板長480 mm、寬340 mm、厚5 mm。立柱由長80 mm、寬60 mm、壁 厚3 mm、高1300 mm 的管材與邊長120 mm、厚5 mm 的鋼板焊接組成，通過4個M12 螺栓與中間的底座鋼板連接。兩個定向輪分別在底座架前段兩側焊接。轉向輪在底座架后端中央處焊接，并通過螺栓螺母與轉向桿連接。轉向桿用鋼管和鋼板焊接而成，總高度為1028 mm、底部架長170 mm、鋼板厚6 mm。

圖1 結構示意

定向輪、轉向輪為71 系列腳輪，型號分別為Z412-200-113、Z411-200-113，具體參數見表1。

1.3 夾持機構設計及三維建模

圖2 移動底座的三維模型

夾持機構包括滾輪，連接架，壓緊桿和支撐桿，三維模型如圖3 所示。連接架用10 mm 鋼板和60 mm×80 mm、厚3 mm的管材焊接壓緊桿用同樣的管材焊接成直角形狀，下端套入連接架中，上端設置限位孔，工作時插入2 個限位銷以保證輪胎不會前后方向傾倒。2 個支撐桿為受力桿，由60 mm×80 mm，厚3 mm 的管材與滑塊焊接而成，滑塊與連接架橫梁用吊環螺釘固定。

圖1 改造后冷油卻系統

表1 腳輪參數

4 個滾輪與立柱相切，從而實現夾持機構的穩定升降，滾輪型號為RE.FF-100-RBL，主要參數見表2。

1.4 液壓、動力系統的選型設計

圖3 夾持機構的三維模型

表2 滾輪參數

液壓系統包括液壓泵站、液壓缸、液壓管等，動力系統配備2塊12 V、16 AH 聚能膠電池作為電源，也可以就車取用電源，設置4 鍵式控制手柄。工作原理是2塊12 V 蓄電池串聯向液壓泵站供電，通過控制手柄控制兩個液壓缸的升降，如圖4 所示。液壓泵站體積為400 mm×400 mm×700 mm；其中，直流電機型號為DC2GN6-N-24-32s，液壓泵流量100 L/h，額定壓力16 MPa；選用四通道電磁控制閥；液壓缸型號為HSGK01-50/28E-1701-500，主要參數見表3。

圖4 液壓系統原理

表3 液壓缸參數

4 根液壓管，長1500 mm，耐壓強度16 MPa，接口為18 mm×1.5 mm 平口，一端加90°彎管，分別與液壓缸進出油口和4 通道電磁控制閥連接。液壓缸推力校核計算，可忽略設備重量，用最大輪胎質量m=180 kg 計算，安全系數設置為2，因此，由表3可知，液壓缸推力F=314 00 N，最大輪胎G=mg×2=180×9.8×2=3528 N。結論：F＞G，液壓系統滿足推力要求。

1.5 整機裝配

新建一個裝配體文件，將設計好的各個零部件導入裝配體進行裝配，并且進行體積干涉檢查和裝配體統計，配合后的三維模型如圖5 所示。

2 運動仿真

SolidWorks Motion 插件是一個虛擬原型機仿真工具，通過運動學和動力學仿真，可得到系統中各零部件的運動情況，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等情況，并以動畫、圖形和表格等多種形式輸出結果[2]。

本文所設計的內容只涉及液壓缸的升降運動。因此，現對液壓缸1 的升降運動進行仿真，首先打開裝配體，然后打開SolidWorks Motion 插件進入仿真界面，新建一個運動算例，選擇Motion 分析，對液壓缸1 的活塞桿添加線性馬達，方向為Y 軸正方向，驅動函數選擇距離，由表3 可知，距離大小為液壓缸最大行程500 mm，開始時間為0 s，持續時間為11 s，幀數為50，計算運動算例。最后生成運動結果圖解見圖6。通過運動仿真分析可知，裝配體無干涉部分，液壓缸能夠實現平穩升降運動，滿足工作要求。

圖5 大型輪胎拆裝轉運平臺的三維模型

圖6 運動結果圖解

3 夾持模塊的有限元分析

有限元法就是將一個連續的求解域離散化，最后求出近似解的方法，通過有限元分析，可以近似地判斷出設計的零件是否能夠承受實際工作環境下的載荷。SolidWorks Simulation 是與SolidWorks 軟件完全集成的設計分析系統，通過SolidWorks Simulation 在計算機上仿真分析可取代昂貴并費時的實際測試，可降低成本[3]。本文運用SolidWorks Simulation 插件進行有限元分析。

3.1 受力分析

對整機進行受力分析可知，主要負載受力是兩個支撐桿受輪胎的壓力，其他部分都不受主要的負載力，為了簡化模型，只對夾持模塊的連接架和支撐桿進行靜力學分析。

對支撐桿進行受力分析，如圖7 所示，其中，F 為支撐桿所受力。因此可得

3.2 有限元分析模型的建立

將夾持模塊導入SolidWorks Simulation 中，新建靜力學分析算例，應用材料為普通碳鋼，零部件接觸為全局接觸，接觸類型為接合，并且選擇兼容網格，夾具為固定幾何體。為模擬支撐桿受力，將F 用如圖8 中所示的受力等效代替，即各平面受力均為F'=Fsin45=882 N。網格劃分主要參數見表4。

圖7 支撐桿受力

3.3 有限元分析結果

應力分析結果，如圖9 所示，變形比例為24.3058。由圖9 可知，最大應力為8.157 MPa，位于節點2088 處，最大應力遠遠小于材料的屈服強度，即σmax＜［σ］，因此，應力滿足設計要求。位移分析結果如圖10 所示。由圖10 可知，支撐桿最前端節點為5048 處位移變形D 最大，D=5.475 mm，根據實際工作判斷，最大變形滿足實際工作情況。

圖8 網格劃分

表4 網格劃分主要參數

4 實物制作與應用

根據設計內容進行實物加工制作，實物如圖11 所示。在實際工作中發現，該裝置能夠有效降低工作強度，轉運平穩性好，操作方便，特別是能通過按鈕開關調整輪胎的高度，比其他手動式的升降方法輕松方便了許多，同時也滿足了安全要求，并且場地占有率較小，適用范圍大，極大地提高了維修工作效率。

圖9 應力分析

圖10 位移分析圖

圖11 實物