模塊運輸車動力單元的設計及優(yōu)化

【摘 要】動力單元設計是模塊運輸車設計中非常重要的一個環(huán)節(jié)，研究如何在較小的空間內設計布置出可以輸出大功率驅動液壓系統(tǒng)并能保證框架結構強度、各機構正常工作的動力單元尤為重要。根據(jù)模塊運輸車工作的實際需求，結合以往類似產(chǎn)品的結構形式和設計經(jīng)驗，分析模塊運輸車動力單元的已知參數(shù)，建立相關的設計模型，進行安裝架結構設計及有限元分析、發(fā)動機選型匹配及成套設計、動力單元的布置及優(yōu)化設計。

【關鍵詞】模塊運輸車；動力單元；有限元分析；優(yōu)化設計

模塊運輸車是一種自帶動力、靜液壓驅動、液壓懸掛升降、可實現(xiàn)模塊式組合并車的重型運輸設備，在鋼廠、港口、大型鋼箱梁制造基地等領域中，廣泛應用于大型鋼箱梁節(jié)段的場內運輸[1]，圖1為6軸模塊運輸車結構圖。模塊運輸車的工作過程可描述為：通過輪組上的升降系統(tǒng)降低運輸車自身高度后，自行駛入待運載貨物下方，然后通過升降系統(tǒng)升高車架頂升起貨物，最后利用輪組的動力轉向系統(tǒng)將貨物轉運到任意指定的地方，整個過程無需其它起吊設備輔助。動力單元的作用是為模塊車提供走行、轉向驅動力。

模塊運輸車動力單元的設計，即通過液壓系統(tǒng)的計算在滿足工作要求的情況下，對動力單元較小空間內的設計布置，尤其是發(fā)動機總成的布置，并能保證動力單元安裝架結構強度、各機構正常工作、液壓及發(fā)動機系統(tǒng)散熱良好。如何設計動力單元內部各部件之間的相對位置，使各部件能完成其工作職能并便于安裝、更換、維護，是整個產(chǎn)品設計中的一個重點和難點。目前，模塊運輸車的設計大多屬于面向訂單的設計，根據(jù)施工需要要求動力單元本身不帶走行輪組，對整體高度有嚴格的要求，為此，如何在有限的空間下設計出具有大功率輸出功能的動力單元，使模塊運輸車適應更為嚴格的工況，已成為企業(yè)競爭取得成功的關鍵[2-3]。本文以某型號模塊運輸車動力單元為研究對象，在對其結構進行分析的基礎上，結合整車的參數(shù)需求進行設計，通過有限元計算進行分析及優(yōu)化，快速有效地得到動力單元結構的最優(yōu)結果。

1 動力單元的總體設計

模塊車動力單元在發(fā)動機輸出端裝有分動箱，由分動箱分別驅動液壓走行馬達及均衡、轉向馬達，具有結構緊湊，傳動效率高的特點。動力單元主體采用框架式結構，側面及頂面多處使用柵格板封面，以加強通風散熱效果，框架與車體之間采用上部調節(jié)油缸連接、下部鉸軸連接的連接方式，可通過收縮調節(jié)油缸抬起動力單元前端，根據(jù)現(xiàn)場需要形成0°～10°的仰角，以提高整車接近角和離地角適應行駛道路的縱向坡度。

設計時，將客戶提出的工作條件以及工作環(huán)境等為已知條件，通過分析模塊車的工作參數(shù)及類型，建立適合的動力單元初步模型。模塊運輸車依據(jù)客戶需求及使用條件，對整車尺寸提出了長寬高的外形要求，對模塊車動力單元也由整車條件提出其外形要求，其中對高度要求最高，動力單元整體高度需小于850mm，外形尺寸為3700×3000×850mm。

2 動力單元的組成

動力單元的主要由動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)三大部分組成，其中動力系統(tǒng)由發(fā)動機、分動箱、空氣濾清器、進氣散熱器、中間冷卻器、消音器、蓄電池、燃油箱組成；壓系統(tǒng)由液壓油冷卻器、液壓泵、液壓油箱、調節(jié)油缸組成；電氣系統(tǒng)由各電氣元件、控制器集成于兩個電氣控制柜內。對動力單元內的組成部分進行布置，見圖2。

3 動力單元的設計過程

3.1 液壓及動力系統(tǒng)計算及發(fā)動機選型

依據(jù)液壓系統(tǒng)的計算，見表1：

根據(jù)表1中液壓系統(tǒng)的計算結果，同時參考各發(fā)動機廠家產(chǎn)品庫中已有的發(fā)動機產(chǎn)品，選擇了滿足動力單元尺寸需求特別是高度需求的發(fā)動機產(chǎn)品，為德國MAN公司的MU6876型臥式柴油機，該發(fā)動機功率參數(shù)為375kw/2100r。

3.2 安裝架設計及各部件的布置

根據(jù)安裝架及發(fā)動機的結構特點，發(fā)動機的安裝方式采用懸掛式，發(fā)動機三點支撐，其中一點在風扇端支撐，另外兩點通過分動箱兩個支腿支撐，而分動箱與發(fā)動機飛輪殼連接。液壓油泵通過分動箱的聯(lián)軸器與發(fā)動機飛輪連接，以用于發(fā)動機輸出功率。

通過布置發(fā)動機、分動箱、空氣濾清器、進氣散熱器、中間冷卻器、消音器、蓄電池、燃油箱、液壓油冷卻器、液壓泵、液壓油箱、調節(jié)油缸及兩個電氣控制柜等部件初步完成安裝架的設計，安裝架由各型號矩形管焊接而成。

3.3 各部件的調整及安裝架結構強度的優(yōu)化

通過動力單元內各部件在安裝架內的布置情況進行三維建模，對各部分之間有相互干涉、影響使用、不便于維護的部件位置進行調整，其中特別對發(fā)動機的散熱系統(tǒng)進行了調整及試驗，使各部件能在安裝架內發(fā)揮各自的職能。

各部件位置固定后，依據(jù)總體受力、各部件受力及動力單元振動情況，對安裝架進行有限元分析，對于某些應力集中的位置進行了優(yōu)化和補強，從而保證了整個動力單元的使用強度。優(yōu)化后的動力單元安裝架的有限元分析結果如圖3。

4 結論

本文以某型號模塊運輸車為例，分析了動力單元結構的的設計過程，該設計的成果受到客戶的廣泛好評，成品如圖4所示。

該模塊運輸車的動力單元得到了滿足所有約束條件的結構參數(shù)值最優(yōu)組合，快速準確地實現(xiàn)了動力單元結構的優(yōu)化設計。整個動力單元設計具有如下特點：（1）該動力單元的設計在同功率輸出的模塊車中，結構緊湊，動力單元高度達到了極限尺寸，有效的滿足了整車的應用需求；（2）該動力單元的設計具有模塊化的特點，可實現(xiàn)不同類型模塊車的互換。此外，該設計及優(yōu)化方法適用于與動力單元相似的產(chǎn)品的設計中，對其它產(chǎn)品的設計具有一定的參考價值。

【參考文獻】

[1]劉楠，仲梁維.起重機車輪組的快速參數(shù)化設計研究[J].港工技術，2012，49（3）：15-18.

[2]張質文.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1998.

[3]阮日升.門式起重機參數(shù)化設計系統(tǒng)關鍵技術研究[J].機械設計與制造，2010（1）：16-18.

[責任編輯：周娜]