混凝土搅拌运输车调心托轮的有限元分析.pdf

T E C H N I C F O R U M 囤圜 混凝土搅拌运输车调心托轮的有限元分析 Fi ni t e El em en t Anal ys i s on Sel f -a l i gni ng Su ppor t i ng Rol l e r o f Conc r e t e M i xer 王 飞 W ANG Fe i 三一重工股份有限公 司泵 送研 究院长沙4 1 0 1 0 0 摘要 ：为满 足混凝土搅拌车托 轮的使用要 求 ，对原有托轮进行 结构设计上 的改进 ，提 出有效 提高托轮使用性 能的一 种方案 。并对 改进 后的调心托轮进 行结构、强度 、受力等方面的计 算分 析 ，得出其 可靠性满足 实际使用要求 的结论 。 关键词：混凝土搅拌运输车调心托轮结构 Abs t r a c t St r u c t u r e o f f o r me r s u p p o r t i n g r o l l e r wa s i mp r o ， e d a n d a s ol u t i o n wh i c h c a n e ffe c t i v e l y i mpr o v e i t s f u n t i o n wa s p u t f o r wa r d i n o r d e r t o me e t t he de ma n d o f c o n c r e t e m i x e r Th r o u g h t h e c a l c u l a t i n g a nd a n a l y z i n g o f t h e s t ru c t u r e ，s t r e n g t h a n d s t r e s s o f s u p p o rti n g r o l l e r ,t h e c o n c l u s i o n i s p o s it v e t h a t i t i s r e l i a b l e a n d c a n m e e t t h e d e ma n d Ke y wo r d s c o n c r e t e m i x e r ； s e l f - a l i g n i n g s u pp o r t i n g r o l l e r ；s t r u c t u r e 中图分类号 ：U 4 6 9 6 5 O 2文献标识码 ：A文章编号 ：1 0 0 4 0 2 2 6 ( 2 0 1 0 ) 0 l 一 0 0 5 1 0 3 1 前言 混凝土搅拌运输车是一种用于搅拌和 运输混凝土的专用车辆。它一般由带有专 用底盘的车体、搅拌简和搅拌筒支承装置 组成 。搅拌筒支承装置由减速机和两个托 轮装置组成 ，搅拌筒属横 卧筒式 回转设 备，其体积庞大 ，一般采用三点定位方式 装设 在底盘上 ，其中减速机 为前支撑支 点，两个托轮装置各为后支撑支点 ，搅拌 筒的滚道与托轮装置的滚轮接触 ，并由滚 轮支撑 。为保证滚轮 与滚道相对 转动可 靠 ，要求滚道与滚轮必须接触 良好。现有 混凝土搅拌运输 车的滚道与滚轮接触时易 轴向偏斜 ，如杲8 m 搅拌车满载 时，搅拌 筒内混凝土的重量约为2 0 t ，由于装载物 很重的缘故 ，搅拌筒容易出现小变形和向 前小偏移的情况 ，若采用以往的托轮 ，滚 道与滚轮接触易出现偏斜 ，造成滚道与滚 轮的相对转动不一致。这一方面使搅拌筒 转动不平稳 ，有抖动 ，同时滚道与滚轮之 间出现相对滑移 ，容易在滚道表面产生划 痕及拉伤 ：另一方面易造成滚轮不均匀磨 损 ，有异响，缩短托轮使用寿命 。此外 ， 由于搅拌 车副车架在焊 接连接 时变形较 大 ，易出现前、后台中心角之间相对应的 偏差 ，现行方法是采用在托轮底部加垫薄 板来调整角度偏差 ，但这无法从根本上解 决 问题 。 通过调心托轮结构方案的提出 ，并进 行设计上的改进 ，有效解决托轮的装配质 量问题 。对调心托轮结构、强度、受力情 况等进行有 限元分析 ，主要针对调心托轮 的结构设计可靠性 ，以期达到最佳结果。 2 调心托轮 的几何结构 搅拌筒的承载结构 ，承载着搅拌筒及 混凝土的全部重量 ，并须克服和限制搅拌 筒简体 的有害跳动 ，以保证搅拌筒实现绕 其轴线正常转动的技术特性。因此 ，搅拌 筒的承载结构除了要有足够 的承载能力和 保持可靠的约束条件外 ，还应具有对搅拌 筒 的 回转 阻 力小 ，对支 承件 因工 作 变形 而 引起的干涉有 自动调节的能 力，并能将承 载的载荷较为合理地传递到机架和底盘 图1 所示的是一种 自动调心托轮 ，包 括滚轮、轮轴 、设有一对轴孔的底座和两 侧带有定位轴的滚轮托架，滚轮托架的定 作者简介 ：王飞 ，男 ，1 9 6 9 年生 ，工程师 ，从事搅拌车 的设计开发工作。 王 飞 鸯 轴套 滚轮轴 托架 图1托 轮结构 图 3 托轮受力计算分析 以8 m 搅拌车 为例( 如图2 )，搅拌 筒满载时重量约为2 0 t ，搅拌筒倾斜角为 1 3 5 。 ，依据搅拌筒实际使用时受力分布， 2 0 1 0 0 1 熏 5 1 函圜T E C H N I C F O R U M l 0t 图2 搅拌筒受力示意图 前后部分的受力大致均等 ，搅拌筒后部的 作用力约为1 0 t ，则两个托轮总承重为： 1 0 0 0 0 xc os l 35。 9 7 0 0 kg 设滚筒垂直托轮作用力Q ： 9 7 k N，滚 道外径1 8 n l ，半径R = O 9 m，宽度 ，： 0 0 7 i n ，材料 为锻钢 ：托轮外径0 2 2 1T I ，半径 R r = 0 1 1 m， 宽度 R r = O 1 2 11 1 ，材 料 为4 5 # 钢 。托轮中心O ， 和滚道中，5O 的连线与垂 直 中心线的夹角a = 3 0 。 ，如图3 所示。 图 3 托 轮 受 力 分 析 图 由图3 可得作用在 托轮或轮带上的作 用力 为 ： g Q ( 2 c o s a ) 5 6 0 k N 托轮单位长度上作用力 ： F =q B =4 70 k N m 因滚道和托轮均 为钢件 ，其 泊松 比 L = 0 _ 3 ，弹性模量E l- 2 0 6 x 1 0 N mm 。由于 滚道和托轮的轴线平行 ，托轮最大压应力 可按下式进行计算 ： 警 对于4 5 # 钢件来说 ，其 许用表面接触 压 应 力 川=4 5 0 MP a 。其最 大表 面接 触 压 应 力 与 许 用表 面 接触 压 应 力 的 比值 按 下式计算 ： = 【 =0 9 2 通过上述计算分析 ，可以判定此结构 调心托轮能够满足使用可靠性的要求。不 过 ，托轮的表面接触最大压应力虽然在许 用范围内，但 已经很接近许用表面的接触 52 201 0 01 压应力，仅相差7 6 。 4调心托轮的有限元分析 托轮工作时承 受搅拌筒自重力、混凝 土重力、混凝土搅拌； 中 击等作用力，因此 有必要对其进行结构强度核算 ，但 由于托 轮结构的特殊性和受力的复杂性 ，难以手 工计算 ，采 用有限元分析 可以较好地 完 成 。 4 1建立托轮及托架的有限元模 型 根据托轮长期使用后外表面的磨损情 况 ，以及托架在受； 中 击时的可靠性 ，对托 轮及托架的三维模型进行简化 。其三维装 配结构作径 向剖切( 如图4 )。并根据托 轮有限元分析的计算方法和边界条件 ，创 建有限元分析模型( 如图5 ) ，有限元单 元 数为2 0 8 3 6，节 点数 为8 7 1 1 4 。 图4 托轮径向剖切 图 料为4 5 # 钢 ，屈服点为3 5 5 MP a ，如图6 所 示 。 F ix e d S u p p o K 一 全约 束 F o r c e 一 加载 力 图6 受力示意图 从图7 可知 ，在轴与箱体焊接处存在 应力集 中区域 ，V o n Mi s e s 应 力( 等效应 力)最大值 为1 6 8 MP a ，但远小于所选材 料屈服点 ，安全系数 为2 1 1 ，符合使用要 求。从图8 可知 ，在托轮与滚道接触处 出 现应 力集中点 ，V o n Mi s e s 应力最大值 为 2 0 8 MP a ，但 绝 对值 小于 所选 材料 屈服 点 ，安全系数为1 7 。从图9 可知 ，托轮托 托 t ,-J- 2 12 5 6 kN 托轮最大受力 的 况，即受力载荷 口 ，考虑到路面不平度引起的冲击振动造 曩” 按经验值取为3 ， 5 6 3 = 1 6 8 k N，作用力 ” 图7 托架应力示意图 图8 托轮应力示意图 图9 托轮托架变形示意图 一 妇 嫩 l虽 “ 俺 露 匿 骣 避 溯 渊 - _ 一 T E C H N I C F O R U M 囤圜 液压模块组合挂车整体结构有限元计算分析 Cal cul at i on and Anal ys i s by F EM f or W hol e St r uc t ur e of Hy dr aul i c M odul e As s em bl ed Tr a i l e r 张宇探马力 李冰 ZHANG Yut an e t al 武汉理 工大 学汽 车工程学 院 湖北武汉 4 3 0 0 7 0 摘要 ：研 究了液 压模 块组合挂车在 不同装载方 式下有限元计算建模 问题 ，提 出了采用平衡杆 系结构来模拟液压平衡悬挂 系统的 方法 ，这 种方法在任意装载 方式下均能保证 同支撑组车轮液 压 管路相通 、轴荷相等的要求 ，并针对典型车辆主体结构强度刚度进行 了有 限元计算分析 。 关键字：液压模块组合挂车 平衡杆 系结构 有 限元 结构强度 Abs t r a c t Ca l c u l a t i o n a l mo d e l i n g f o r h y d r a ul i c m o d u l e a s s e mb l e d t r a i l e r b y FEM wa s s t ud i e d ， a n d t h e n t h e s i mul a t i o n m e t h od b y b a l a n c e fla me s y s t e m f o r t h e h y d r a ul i c s us p e n s i o n s ys t e m wa s d e ve l o p e d ， wh i c h e n s u r e d t h e e q uiva l e n c e o f a xl e l o a d i n t h e s a me g r o u p wh e r e t h e o i l c a n s we r e c o n n e c t e d Fi n a l l y t h e FEM mo d e f o r a s t r e n g t h a n d s t i ffn e s s o f a s p e c i fic b o d y s t r u c tur e wa s a n a l y z e d K e y W o r d s h y d r a u l i c m o d u l e a s s e mb l e d t r a i l e r； b a l a n c e fla m e s y s t e m ； FEA ；s t r u c tur a l s t r e n g t h 中图分类号 ：U 4 6 9 5 3 O 2 文献标识码 ：A文章编号 ：1 0 0 4 - 0 2 2 6 ( 2 0 1 0 ) 0 1 - 0 0 5 3 - 0 3 1前 言 液压模块组合挂车是大件及重型装备 公路及场地运输的必要运输设备。国外液 压模块组合挂车的发展已相 当成 熟 ，国 内正逐步从模仿设计阶段走向自主研发 ， 已有学者开始对拼车方案查询系统、挂车 配件和装载形式等方面进行研究 。但 是 ，由于组合挂车拼车方案较 多 ，装载 方式比较特殊 ，且四点支撑下多个同组车 轮液压管路相通 ，轴荷相等的特点给基于 整车的结构分析提出了新的要求。因此结 合企业的实际需求，对液压模块组合挂车 在不 同装载方式下的有限元计算建模问题 进行 了研究。在研究国内外液压模块组合 挂车的装载方式的基础上提出了采用平衡 杆系结构 来模 拟液压平 衡悬挂 系统 的方 法，在各种装载方式下均能保证 同组多个 车轮轴荷相等 ，并根据所提出的方法 ，对 张宇探 典型六轴线车辆进行了整车有限元计算分 析 ，得到了不 同装载方式时多种工况下整 体结构强度刚度的有限元计算分析结果， 为液压模块组合挂车整车结构设计提供 了 参考。 2 装载方式分析 液压模块组合挂车的货物通常有三种 装载方式 ：支架装载、均布装载和特殊装 载。每种装载方式都必须满足货物特征 、 作者简介 ：张宇探 ，女 ，1 9 8 5 年生 ，硕士研 究生 ，研究方 向：汽车C AD C AE。 架的变形最大值为0 2 7 5 m，表现在托架中 间处 ，绝对 数值 较小 ，对 结构使用无 影 响 。 通过有限元结构分析 ，在满足托轮载 荷受力可靠性 的条件下 ，必须保证托轮的 中心轴线与滚道的中心轴线是平行的 ，否 则 ，难以保证运动结合面的良好接触 ，会 因为受力不均匀造成滚道或滚轮，以及轴 承过早的损坏 。转动轴与托架轴孔的接触 面要求采用圆倒角 ，尽可能地减少应力集 中，以延长托轮的使用寿命 。此外 ，“ 角 度不 宜过小 ，否则在 搅拌简 的转动过程 中 ，会降低托 轮对搅拌 筒的 自动调 节能 力。 5 结论 对于搅拌简承载结构的前端连接点 ， 性能主要取决于外购件减速机 ，在搅拌筒 中心轴线角度保证的前提下，一般无须对 其结构分析 ；而对于后端支撑点 ，其结构 的可靠性主要取决于托轮结构的稳定性。 经过计算分析 ，调心托轮完全满足搅拌车 的载 荷要 求 。 使用自动调心托轮能保证滚轮与滚道 的接触为最佳状态 ，消除因搅拌筒偏斜或 变形造成的接触面滑动 、滚道表面易产生 划痕及拉伤的问题 ，减少滚道表面及滚轮 的损伤 ，延长了产品的使用寿命 ：在滚轮 可调节角度范围内，能达到自动消除因副 车架焊接过程变形引起前、后台之间角度 偏 差 的 问题 。 因此 具有 可 靠的 使用 性和 应 用 前景 。 参考文献 J 张国忠，王福良， 周淑文等 现代混凝土搅拌运输 车及应 用M】 北京： 中国建材工业出版社，2 0 0 6 收稿 日期 ：2 0 0 9 0 9 1 5