基于ANSYS履帶引導(dǎo)輪總成吊具的設(shè)計(jì)

楊 濤，劉志忠，楊永茂，程旺延

（中聯(lián)重科股份有限公司 渭南分公司，陜西 渭南 714000）

0 引言

隨著履帶式工程機(jī)械的蓬勃發(fā)展，履帶挖掘機(jī)、履帶起重機(jī)等大型設(shè)備生產(chǎn)制造的數(shù)量越來越多，生產(chǎn)廠家都投入先進(jìn)的組裝流水線以提高生產(chǎn)效率。由于生產(chǎn)裝配作業(yè)時(shí)，工程機(jī)械零部件質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其轉(zhuǎn)運(yùn)和吊裝都需要專門的吊具，因此針對(duì)特殊部件設(shè)計(jì)合理的吊具，可有效地提高整個(gè)工程機(jī)械轉(zhuǎn)配的安全性和高效性。由于引導(dǎo)輪總成所特有的形狀、質(zhì)量和重心分布等特殊因素，普通的吊具難以一次裝夾完成。目前企業(yè)內(nèi)挖掘機(jī)裝備車間在裝配引導(dǎo)輪總成時(shí)，需工人用鋼絲繩兩次吊裝才能夠?qū)⒁龑?dǎo)輪總成裝配到位，該裝配方法穩(wěn)定性差、效率低、安全隱患大，限制了整條裝配流水線的作業(yè)進(jìn)度，從而降低了企業(yè)生產(chǎn)效率。為解決上述存在的實(shí)際問題，本文設(shè)計(jì)了用于裝配履帶引導(dǎo)輪總成的新型吊具。

1 吊具的設(shè)計(jì)原理

引導(dǎo)輪總成示意圖如圖1所示，該總成主要由引導(dǎo)輪和漲緊裝置兩部分構(gòu)成，總成的重心在Q1處。在未采用專用吊具時(shí)，吊裝過程通過鋼絲繩進(jìn)行吊裝，為保證工件不脫落，將鋼絲繩靠近引導(dǎo)輪側(cè)，其吊裝力為F1，此時(shí)工件的受力情況為：履帶引導(dǎo)輪總成的重力G作用在Q1點(diǎn)，吊裝力F1作用在Q2點(diǎn)，由于重力G與吊裝力F1不在同一軸線，因此吊裝工件時(shí)工件的重力G會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩M1＝G×L1，這樣當(dāng)工件被吊起時(shí)，就會(huì)旋轉(zhuǎn)一定的角度，使吊裝力F1與重力在同一直線上，造成吊裝時(shí)不穩(wěn)定從而由于工件傾斜導(dǎo)致與下車架裝配時(shí)操作比較困難。針對(duì)目前存在的問題，在設(shè)計(jì)專用吊具時(shí)需要保證其吊裝力F1與工件的重心重合（如圖2所示），使工件吊裝過程中處于平穩(wěn)狀態(tài)，一次吊裝即可，從而提高組裝效率。

2 專用吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

專用吊具主要由C型吊具和尼龍板組成，C型吊具用于工件的起吊，其吊耳板上的各孔為適應(yīng)20t不同機(jī)型引導(dǎo)輪總成吊裝；尼龍板的作用是防止C型吊具滑脫。

C型吊具結(jié)構(gòu)如圖3所示，主吊板3是具有一定寬度的L形板體，其上面焊接吊耳板1，外側(cè)面焊接左側(cè)限位板4和右側(cè)限位板6，內(nèi)側(cè)面焊接加強(qiáng)筋2和支承塊5。

圖1 引導(dǎo)輪總成示意圖

圖2 專用吊具示意圖

圖3 C型吊具結(jié)構(gòu)圖

3 吊具的使用

在實(shí)際裝配中，根據(jù)不同型號(hào)的引導(dǎo)輪總成，選取吊耳板上對(duì)應(yīng)的吊裝孔。將C型吊具用行車吊起插入引導(dǎo)輪總成中間間隙處（如圖4所示），再將尼龍板插入，使C型板吊具的支承塊與漲緊裝置緊密貼合，尼龍板與引導(dǎo)輪接觸（如圖5所示）。由于引導(dǎo)輪總成重心與吊裝孔在同一豎直位置，從而確定了引導(dǎo)輪總成在吊運(yùn)時(shí)始終處于水平位置，不致傾斜或偏載側(cè)翻。待引導(dǎo)輪總成裝入履帶架后，再按與吊具安裝相反的步驟將吊具取出。

4 C型吊具結(jié)構(gòu)分析

4.1 建立模型

采用三維造型軟件Pro／E對(duì)引導(dǎo)輪總成吊具進(jìn)行三維模型創(chuàng)建，為了將模型導(dǎo)入ANSYS中，需將建立好的模型導(dǎo)出為IGES格式的實(shí)體文件。IGES（Initial Graphics Exchange Specification）是一種常用的幾何轉(zhuǎn)換格式，常用于在不同的CAD和CAE系統(tǒng)之間交換幾何模型。導(dǎo)入后的全局坐標(biāo)系與Pro／E中建立模型時(shí)的坐標(biāo)系一致。

圖4 C型吊具插入總成

圖5 尼龍板插入總成

4.2 添加材料

吊具采用Q345材料，其屈服極限為345MPa，彈性模量為2.1×1011Pa。

4.3 劃分網(wǎng)格

吊具用鋼板焊接而成，采用四面體網(wǎng)格劃分法（Tetrahedrons）劃分網(wǎng)格，四面體網(wǎng)格可以施加于任何幾何體，可以快速、自動(dòng)生成，在關(guān)鍵區(qū)域容易使用曲度和近似尺寸功能自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格，可以使用膨脹細(xì)化實(shí)體邊界附近的網(wǎng)格，邊界層有助于面法向網(wǎng)格的細(xì)化。

四面體網(wǎng)格尺寸控制（Sizing）中的Element size選項(xiàng)設(shè)置為8mm，最終形成的有限元模型規(guī)模為：節(jié)點(diǎn)數(shù)17 537，單元數(shù)9 439。C型吊具劃分網(wǎng)格后的效果如圖6所示。

4.4 施加載荷和約束

吊具在正常工作中的受力情況比較簡(jiǎn)單，支承塊5承受引導(dǎo)輪總成的重力，吊耳板1承受的力為引導(dǎo)輪總成與吊具的重力之和，主吊板3內(nèi)側(cè)受到引導(dǎo)輪總成約束，外側(cè)受到尼龍板的約束，為了便于施加約束，在C型吊具的內(nèi)外側(cè)根據(jù)接觸面積大小制作面印記（Imprint face），完成吊具的載荷施加和約束，如圖7所示。

圖6 C型吊具網(wǎng)格效果圖

圖7 C型吊具受力分析圖

4.5 結(jié)果后處理

對(duì)該吊具進(jìn)行有限元分析計(jì)算求解，并運(yùn)用ANSYS后處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得了該吊具應(yīng)力分析云圖，如圖8所示。由應(yīng)力分布情況可知，最大應(yīng)力點(diǎn)在吊具內(nèi)側(cè)板與加強(qiáng)板的鏈接處，為σmax＝81.597MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度345MPa，從而求得吊具的安全系數(shù)為n＝4.22，符合安全吊運(yùn)的要求，因此該吊具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足使用要求。

圖8 應(yīng)力分析云圖

5 結(jié)論

對(duì)履帶引導(dǎo)輪總成吊具進(jìn)行有限元分析，得出吊具的應(yīng)力分析云圖，通過分析可以直觀地得出吊具的受力情況，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。利用ANSYS Workbench進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可以大大縮減設(shè)計(jì)人員的產(chǎn)品開發(fā)周期，降低制造成本，提高生產(chǎn)效率。并通過本廠現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)認(rèn)證，本吊具能夠提供一種履帶式引導(dǎo)輪總成在狹小空間作業(yè)時(shí)，可以快速高效安全的吊裝作業(yè)方法。

［1］ 浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

［2］ 尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［3］ 張曉輝.基于ANSYS的挖掘機(jī)動(dòng)臂吊具的有限元分析［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011（14）：114－115.

［4］ 紀(jì)玉新.基于ANSYS分析的支撐座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電技術(shù)，2011（3）：126－129.