基于Pro E建模及CAE分析的中型挖掘機設計分析

姚金梅

(上海三一重機股份有限公司,上海200000)

1 相關零部件選型

1.1 新機器與母型機對比

某中型Tier 4 final液壓挖掘機開發以滿足Tier 3排放的SY215C9C3KL機型為基型機，采用康明斯Tier 4 final排放發動機及后處理系統，以滿足安裝完成后的整機排放要求，新款機器在基型機基礎上改進、優化，本文主要針對如下幾個變動點進行闡述：

（1）發動機采用康明斯QSL9 Tier 4 final排放發動機。

（2）發動機后處理系統采用DOC+DRT+SCR技術方案。

（3）合理布置后處理系統以及尿素系統零部件及其管路。

（4）散熱器重新選擇除濕式散熱器，尺寸加大。

1.2 排氣系統選型

排氣系統與基型機相比主要是增加后處理裝置DOC+DRT+SCR，及尿化系統，DOC將顆粒物中主要含有的HC及CO等未完全燃燒物轉化為水和二氧化碳，尿化系統SCR可以進一步降低NOx的排放。根據康明斯要求：尿素罐最小可用容積為燃油箱可用容積乘于0.045 ，其中0.045 為燃油消耗尿素比率，按此要求計算：尿素罐最小可用容積 為燃油箱可用容積*0.045 ，即為燃油箱容積*0.75 *0.045 ，然油箱容積為340L，因此尿素罐最小可用容積為340L*0.75 *0.045 ，即11.475 L尿素罐最小容積為尿素罐最小可用容積/0.75 ，即15.3 L，尿素罐供應商Shaw提供的尿素罐最小容積均為5加侖（18.9 L）。因此選用容積為5加侖（18.9 L）的尿素罐滿足康明斯要求。同時，燃油箱可支持機器運行小時數為燃油箱可用容積/小時油耗即燃油箱容積*0.75 /小時油耗，340L*0.75 /24.65 ，計算結果為10.34 hr，滿足北美客戶每天操作機器不多于10小時，每天加一次油的要求。

最終根據三維設計尺寸，及相關的性能要求，確定一套三一美國shaw公司的后處理尿化系統零部件選型。

1.3 散熱器的選型

為了匹配康明斯新型發動機及其尿化系統，散熱器的設計思路如下：

（1）冷風側風速：考慮風阻，芯體厚度控制在145,風速控制在6.5 m/s左右。

（2）外翅片選擇：防堵方面，不采用錯齒、開窗翅片，不采用小波距翅片；散熱風阻方面，采用風阻小的翅片。

（3）根據計算，確定散熱器前端風速，根據散熱器風阻，得到風扇的P-Q要求。

（4）根據進風風速，輸入設計條件，選擇散熱器翅片與管道配比，內外翅片，計算輸出散熱器的性能參數。

由于康明斯發動機要求使用除氣式水散，最終選用揚州通宇散熱器有限公司散熱器ZH950×150×1020-S100Y55Z25，增加了具有除氣功能的副水箱散熱器。

2 3 D模型建立

2.1 后處理系統三維模型建立

康明斯搭載要求如下：

（1）排氣阻力＜32KPa。

（2）渦輪增壓出口到DOC入口溫度降＜20℃，渦輪增壓出口到SCR入口溫度降＜40℃。

（3）后處理振動要求：正常工作＜7.9 G，沖擊載荷最大不得超過24G,沖擊載荷超過10G，30分鐘內不得超過6次。

（4）后處理漏氣要求：從DOC入口到SCR出口壓力4.5 psig時泄露量小于1.5 scfm(3.87 L/min)。

（5）尿素解凍要求：-11℃以下需要解凍。

2.2 后處理系統在回轉平臺上的布局

根據整機布局及相關的性能要求，后處理系統三維模型如圖1所示，此三維模型有如下優點：

（1）新機型的可維護性主要體現在保養件及后處理新增零部件的可維護性，新增尿素罐要方便尿素加注，打開右門就可以完成相關保養。尿素罐的安裝結構更簡化、輕便，便于尿素罐的拆裝。

（2）后處理系統尿素泵通過安裝支板裝在SCR-DRT-DOC系統的四個支柱上，一體連接，保證連接尿素泵與SCR系統的尿素噴射管的連接穩定性。

（3）四根支柱為直角彎板，中間有圓弧槽，這樣中間窄，兩頭連接處比較寬，保證連接穩定性，同時節省空間，下端焊接安裝板，通過三個孔與回轉平臺上的支撐板連接，保證穩定性，同時在支柱上焊接帶孔安裝板，用來安裝門和尿素泵，本實用新型所提供的安裝立柱，不僅對后處理系統加強支撐的作用，同時為挖掘機右門安裝提供安裝孔位。

（4）SCR后處理系統的尿素泵固定結構使尿素罐和尿素泵一體化，從而優化整車上SCR系統的布置及尿素管路的布置，結構緊湊、降低了成本。

（5）獨立設置的尿素存儲罐和尿素計量噴射泵組合成一個整體，簡化了SCR系統在整車上的安裝布置，使尿素存儲罐至尿素計量噴射泵之間的尿素吸液管和尿素回液管管路的長度不再隨尿素計量噴射泵安裝位置的變化而變化，減少了部件之間的連接管路，既有利于尿素管路的批量化生產，同時由于管路的明顯縮短而節約了大量成本、方便安裝。

2.3 回轉平臺模型

回轉平臺的模型設計應最大限度的采用標準件、通用件、借用件，已提高設計的繼承性和產品的標準化程度；采用自頂向下的建模方法，首先利用Pro/E完成總體骨架的建立，然后完成零部件的設計；最后通過骨架裝配關系完成三維模型的搭建，零部件間進行合理的約束[3]。相對于基型機，左平臺駕駛室安裝處、主平臺左右梁及回轉馬達安裝位置和右平臺大部分零部件均借用基型機，新增DOC+DRT+SCR系統，設計新型固定部件。

2.4 全新輔助管路系統

相對與母型機，優化液壓系統，采用全電控比例液壓剪回轉系統，采用發動機PTO+定量齒輪泵+電磁比例換向閥+滑移鍵多功能短手柄方案，實現液壓剪回轉的比例量控制。液壓剪回轉馬達由齒輪泵單獨供油，解決了復合動作時整車動作慢，動作不協調的問題（液壓剪回轉和上車共用前泵流量）。

全電控快換控制系統，同時匹配全新開發帶減壓功能的兩位四通快換閥，能滿足不同壓力快換器的應用，同時減壓閥為電控閥，顯示屏可以直接設置壓力，無需手動調節。

3 模型有限元分析

3.1 有限元分析流程

通過ANSYS Workbench與Pro/E的接口設置將兩種軟件集成，從而實現無縫對接，盡可能保證導入模型的準確性；回轉平臺的有限元分析主要包括前處理、載荷施加和邊界條件設置、計算和結果分析三部分[4]。在Pro/E中將模型導出為*.x_t格式的文件，在畫出焊縫及對模型進行簡化。

3.2 邊界條件

后處理支架部分，材料為SS400P，四個立柱的板厚為5mm，發動機DOC及DOC支架的重量為29KG，發動機SCR及SCR支架重量為47KG，發動機DRT及DRT支架重量為7.23 KG，振動加速度上下方向取10g。散熱器支架板厚為6mm，對應支撐板為10mm。材料為Q235B，相對于基型機，因后處理為新增部件，散熱器由原來的170增重至201KG，特對此兩部位做分析。

后處理支架采用兩種約束方案，每個方案分別計算兩種工況的靜態應力應變，即工況一：向下加載10g+向左2g+向前2g；工況二：向下加載10g+向右2g+向后2g。散熱器支架約束其連接板與平臺連接部位，施加散熱器重力230g。

3.3 有限元分析結果

有限元分析結果輸出，處理支撐應力云圖中可以看出，兩種工況，底部上部全約束，底部全約束、上部自由，底部全約束、上部自由，最大應力為226.38 MPa。

相關重點相關應力數據見表1。

從散熱器支撐板的分析云圖最大應力為43.642 MPa。

3.4 后處理支撐與散熱器支撐板相關結果分析與總結

3.4.1 通過對此中型液壓挖掘機后處理支撐強度分析，其最大應力值為226.38 MPa，而材料的屈服極限為245MPa，滿足強度要求，對結構影響不大。

3.4.2 通過對此中型挖掘機散熱器支架分析，其最大應力發生在散熱器支架與平臺連接處，為43.642 MPa，量值維持在較低水平，遠小于材料的屈服極限235MPa，靜強度滿足要求。

4 結論

本文根據某中型Tie4f新型挖機開發過程，根據開發要求，對相關零部件進行選型，運用Pro/E軟件回轉平臺上進行整體布局和建模，完成挖掘機零部件的設計和挖掘機的裝配，運用該軟件模型分析功能，為有限元分析提供計算邊界條件。本文將傳統設計方法和現代有限元分析手段相結合，運用ANSYS Workbench對回轉平臺結構進行載荷計算和有限元分析，在基型機回轉平臺的基礎上，對變化的部分進行有限元分析，通過分析結果，得到了最大變形和最大應力云圖，使得復雜結構的分析更加簡單、便捷。整機下線，通過實際的應力測試，及相關的性能實驗，驗證設計滿足性能及強度要求。設計初期提前線上分析設計，很多問題提前發現，在模型設計階段及時處理對策，以免在樣機線下試驗發現，再解決，這樣省時省力，縮短產品開發周期。