旋挖鉆機(jī)導(dǎo)風(fēng)罩開裂故障的分析與改進(jìn)

□ 張 瀟 □ 劉 方 □ 張宇航

柳工常州機(jī)械有限公司 江蘇常州 213168

1 問(wèn)題情況

導(dǎo)風(fēng)罩和防護(hù)罩是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部件,其性能優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱及整機(jī)的機(jī)外輻射噪聲。因此,導(dǎo)風(fēng)罩和防護(hù)罩的可靠性設(shè)計(jì)是冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分。

筆者根據(jù)市場(chǎng)反饋,針對(duì)某旋挖鉆機(jī)導(dǎo)風(fēng)罩在整機(jī)運(yùn)行39.2 h時(shí)的開裂故障進(jìn)行分析,并提出改進(jìn)方案。導(dǎo)風(fēng)罩開裂如圖1所示。

▲圖1 導(dǎo)風(fēng)罩開裂

2 導(dǎo)風(fēng)罩總成

導(dǎo)風(fēng)罩總成由導(dǎo)風(fēng)罩、風(fēng)扇防護(hù)罩、液壓馬達(dá)安裝板等組成,如圖2所示。工作時(shí),液壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá),液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)安裝在導(dǎo)風(fēng)罩總成上。據(jù)了解,設(shè)計(jì)師開發(fā)產(chǎn)品時(shí),簡(jiǎn)單地將匹配相同發(fā)動(dòng)機(jī)的挖掘機(jī)導(dǎo)風(fēng)罩借用至旋挖鉆機(jī)上。

▲圖2 導(dǎo)風(fēng)罩總成

3 導(dǎo)風(fēng)罩有限元分析

為了防止旋挖鉆機(jī)在施工過(guò)程中再次出現(xiàn)導(dǎo)風(fēng)罩開裂的情況,筆者基于旋挖鉆機(jī)的工況特點(diǎn),對(duì)導(dǎo)風(fēng)罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析,為后續(xù)導(dǎo)風(fēng)罩優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

導(dǎo)風(fēng)罩材質(zhì)為Q195鋼,厚度為2 mm。對(duì)導(dǎo)風(fēng)罩模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,質(zhì)量點(diǎn)B位置代表液壓馬達(dá),為17.48 kg,質(zhì)量點(diǎn)D位置代表風(fēng)扇及墊塊安裝板,為7 kg。導(dǎo)風(fēng)罩靜力學(xué)分析模型如圖3所示。

▲圖3 導(dǎo)風(fēng)罩靜力學(xué)分析模型

對(duì)導(dǎo)風(fēng)罩進(jìn)行靜力學(xué)分析,在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)風(fēng)罩周圍螺栓孔的位置進(jìn)行完全約束,在中心軸C處施加8×104N·mm力矩,得到導(dǎo)風(fēng)罩靜力學(xué)分析結(jié)果,如圖4所示。

▲圖4 導(dǎo)風(fēng)罩靜力學(xué)分析結(jié)果

對(duì)導(dǎo)風(fēng)罩模型進(jìn)行模態(tài)分析,分析結(jié)果見(jiàn)表1,前六階模態(tài)振型如圖5所示。

表1 導(dǎo)風(fēng)罩模態(tài)分析結(jié)果

對(duì)導(dǎo)風(fēng)罩模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析,在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)風(fēng)罩周圍螺栓孔的位置進(jìn)行完全約束,對(duì)導(dǎo)風(fēng)罩模型整體分別施加X(jué)、Y、Z三個(gè)方向的加速度激勵(lì),值為9 800 mm/s2,分析頻率為0～100 Hz,諧響應(yīng)分析結(jié)果如圖6、表2所示。

表2 導(dǎo)風(fēng)罩諧響應(yīng)分析結(jié)果

從靜力學(xué)分析結(jié)果看,導(dǎo)風(fēng)罩模型的最大應(yīng)力為37.921 MPa,遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度,強(qiáng)度滿足性能要求。由此初步判斷,導(dǎo)風(fēng)罩開裂與靜力學(xué)問(wèn)題沒(méi)有直接關(guān)系。

分析得到導(dǎo)風(fēng)罩二階模態(tài)為60.478 Hz,六階模態(tài)為89.576 Hz。與導(dǎo)風(fēng)罩相連的液壓馬達(dá)及風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)基頻為30 Hz,二階頻率為60 Hz,三階頻率為90 Hz。由此可見(jiàn),液壓馬達(dá)與風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的二階頻率、三階頻率分別與導(dǎo)風(fēng)罩的二階模態(tài)、六階模態(tài)接近,存在共振風(fēng)險(xiǎn)。

在X、Y、Z三個(gè)方向上施加重力加速度進(jìn)行諧響應(yīng)分析,發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力均滿足材料屈服強(qiáng)度要求,但整體應(yīng)力偏大,尤其是Y向,存在疲勞斷裂風(fēng)險(xiǎn),需要對(duì)應(yīng)力集中處適當(dāng)加強(qiáng)。

4 改進(jìn)方案

根據(jù)上述有限元分析結(jié)果,導(dǎo)風(fēng)罩發(fā)生斷裂的主要原因是液壓馬達(dá)與風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的二階、三階頻率分別與導(dǎo)風(fēng)罩的二階、六階模態(tài)接近,存在共振風(fēng)險(xiǎn)。另外,導(dǎo)風(fēng)罩整體應(yīng)力偏大,尤其是Y向,存在疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。為了使優(yōu)化設(shè)計(jì)的改動(dòng)量盡可能小,實(shí)現(xiàn)改進(jìn)前后導(dǎo)風(fēng)罩能夠完全互換,便于快速整改,筆者有針對(duì)性地提出如下方案:

(1)將導(dǎo)風(fēng)罩板厚由2 mm增大至3 mm,減小共振的風(fēng)險(xiǎn);

(2)將防護(hù)罩的安裝螺栓由兩顆改為三顆,并由長(zhǎng)條形面接觸改為更為可靠的三角形面接觸。

▲圖6 導(dǎo)風(fēng)罩諧響應(yīng)分析云圖

改進(jìn)后導(dǎo)風(fēng)罩如圖7所示。

對(duì)改進(jìn)后的導(dǎo)風(fēng)罩采用同樣方法進(jìn)行有限元分析。改進(jìn)后導(dǎo)風(fēng)罩靜力學(xué)分析結(jié)果如圖8所示,模態(tài)分析結(jié)果如圖9、表3所示,諧響應(yīng)分析結(jié)果如圖10、表4所示。

表3 改進(jìn)后導(dǎo)風(fēng)罩模態(tài)分析結(jié)果

表4 改進(jìn)后導(dǎo)風(fēng)罩諧響應(yīng)分析結(jié)果

由分析結(jié)果可以看出,改進(jìn)后導(dǎo)風(fēng)罩一階、二階模態(tài)遠(yuǎn)高于液壓馬達(dá)與風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的基頻、二階頻率,減小了共振風(fēng)險(xiǎn)。另一方面,改進(jìn)后導(dǎo)風(fēng)罩的最大應(yīng)力減小了30.15%,整體應(yīng)力水平優(yōu)于改進(jìn)前。

▲圖7 改進(jìn)后導(dǎo)風(fēng)罩

▲圖8 改進(jìn)后導(dǎo)風(fēng)罩靜力學(xué)分析結(jié)果

改進(jìn)后導(dǎo)風(fēng)罩應(yīng)用于旋挖鉆機(jī),整機(jī)累計(jì)已使用達(dá)500 h,無(wú)開裂反饋,驗(yàn)證了改進(jìn)的有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)市場(chǎng)反饋的旋挖鉆機(jī)導(dǎo)風(fēng)罩開裂故障進(jìn)行分析。旋挖鉆機(jī)的應(yīng)用工況較為復(fù)雜,不能簡(jiǎn)單地直接借用挖掘機(jī)導(dǎo)風(fēng)罩結(jié)構(gòu),需要具體工況具體分析。

改進(jìn)后的旋挖鉆機(jī)導(dǎo)風(fēng)罩,防護(hù)罩采用三角形面接觸固定,能有效提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,避免應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致導(dǎo)風(fēng)罩開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

在零部件開發(fā)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行有限元分析,能夠快速、有效識(shí)別出零部件性能存在的不足,節(jié)約成本,值得推廣。

▲圖9 改進(jìn)后導(dǎo)風(fēng)罩前六階模態(tài)振型

▲圖10 改進(jìn)后導(dǎo)風(fēng)罩諧響應(yīng)分析云圖

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