輪式銑刨機行走折疊裝置結構分析與優(yōu)化

洪印濤，許明明

(黎明職業(yè)大學 智能制造工程學院，福建 泉州 362000)

路面銑刨機作為高等級公路及城市養(yǎng)護機械化的主要的機種之一，可以實現(xiàn)瀝青舊路再生利用。主要用于維修翻新瀝青混凝土路面層，可以用于清除路面油浪、鼓包、網紋、車轍等缺陷，還可以用于開挖路面溝槽以及實現(xiàn)水泥路面的拉毛及面層錯臺的銑平[1]。在路面周期性養(yǎng)護的高峰階段，很多市政部門或者大型小區(qū)也都配備銑刨機，主要以窄體輪式銑刨機為主，方便停放及養(yǎng)護，具有較高的便攜性[2]。銑刨機的構造主要包括車架、輸料裝置、行走系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工作裝置等。因此，銑刨機可以按照銑刨寬度、輸料形式、銑刨驅動形式、行走驅動形式進行分類[3]。本文主要研究市政使用的小型銑刨機，以徐州某公司XM101Q為車型[4]，重點研究其后輪折疊腿在使用過程中的受力情況，擬為中小型銑刨機的設計開發(fā)提供一些參考。

1 銑刨機工作原理

1.1 銑刨驅動系統(tǒng)

銑刨驅動系統(tǒng)采用機械鏈傳動驅動方式,具有銑刨平穩(wěn)、傳動效率高的特點。該系統(tǒng)由發(fā)動機、彈性聯(lián)軸器、離合器、傳動軸、齒輪箱、鏈條等主要部件組成。采用進口高彈性聯(lián)軸器，緩沖銑刨路面時產生的沖擊載荷，保護傳動系。傳動上裝有安全銷，當遇到較大的沖擊或載荷過大時，安全銷斷裂，保護傳動系統(tǒng)不受損壞[5]。

1.2 銑刨裝置

刀頭采用美國凱南麥特刀頭、刀座，堅固耐用。硬質合金材料的刀頭具有超強的耐磨性，使用壽命長。以螺旋排布形式，使刀具的受力更為合理，減少刀具的非正常磨損；銑刨輪進行動平衡試驗，最大限度減小由于偏心帶導致的震動和噪聲[6]。

1.3 行走驅動系統(tǒng)

行走驅動系統(tǒng)采用液壓機械混合驅動形式，分為工作和行走兩檔速度。系統(tǒng)主要部件為行走泵、行走馬達、齒輪箱、傳動軸、前橋、左右后輪等。行駛速度可達13 km/h，轉場速度快，特別適合市區(qū)性質范圍內的轉場施工，節(jié)省時間和運輸成本。XM101Q的最大工作速度可達21 m/min，并具有行車制動，可增加操作的安全性。

1.4 支腿升降裝置

為實現(xiàn)后輪支腿的折疊，升降內筒與牽引外筒之間形成一個封閉的液壓缸。升降內筒可以在牽引外筒上沿鍵槽上下移動。當支腿需要切換位置時，可以將升降內筒升起，脫離地面以便進行折疊；當支腿折疊移動到所需位置后再將內筒降下，使輪胎與地面接觸。折疊過程中支腿繞著旋轉軸進行旋轉，旋轉支撐板起支撐固定作用。如圖1所示。

支腿的升降折疊可以實現(xiàn)不同的功能，具備優(yōu)良的貼邊銑刨功能。常規(guī)情況下，右后支腿處于機架外側，左右兩后輪為同軸，可以進行普通路況以及井蓋等特殊路況的銑刨。而當銑刨公路邊緣時，左、右后輪可方便地折疊旋入機架內側，實現(xiàn)貼邊銑刨[7]。

2 仿真模型的建立和驗證

在使用過程中，出現(xiàn)后輪支腿升降裝置內筒底座變形及焊縫開裂現(xiàn)象，因此，對后輪支腿升降裝置做結構仿真分析。

2.1 后輪模型網格劃分

通過hypermesh(有限元網格劃分)軟件手動進行劃分，主要采用正六面體網格，以增加仿真的精確性。劃分網格前須去除一些對仿真結果影響不大的細節(jié)，簡化模型，減少網格處理后整體的分析計算量[8]。去除的細節(jié)主要有模型的倒角、細小的孔、對結果影響不大的細小曲面等。劃分后的網格模型如圖2所示。

圖2 XM101Q支腿有限元網格劃分模型

2.2 材料屬性添加

在Ansys(有限元仿真分析)軟件中添加材料屬性，各零部件接觸參數(shù)如表1所示。

表1 升降裝置零件材料屬性

2.3 定義零件的接觸形式

升降內筒與牽引外筒之間、外筒上的鍵與升降內筒上的鍵槽之間、牽引外筒和鍵之間，在正常工作時均無相對運動，因此，零件內的接觸設為boned(粘結)方式[9]。升降內筒與法蘭盤之間，牽引外筒與加強板、筋板、連接板、旋轉軸之間采用焊接形式連接[10]。整個裝配件共有8個接觸對，如圖3所示。

圖3 支腿載荷施加位置(共 8個接觸對)

2.4 載荷與固定約束設置

經過力學模型簡化，支腿升降裝置固定約束設定在法蘭盤螺栓上，如圖4所示。

因銑刨機工作時，為攤鋪均勻，一般為勻速前進，故認為此時支腿所受的載荷為恒力。XM101Q的工作速度為0～13 m/min，額定功率為125 kW，整機額定功率為14 500 kg，發(fā)動機轉速2 200 r/min。通過理論力學計算，可將受力載荷分為兩個恒力：一個是垂直方向的載荷45 kN，作用在旋轉支撐板上；另一個力是水平方向的牽引力86.9 kN，均勻作用在旋轉軸上。

3 計算結果分析

計算結果主要從支腿折疊部件整體、支腿內筒和支腿外筒3個方面查看。

支腿折疊部件整體最大變形5.4 mm，出現(xiàn)在外筒上部，由上而下逐漸減小。整體最大應力489 MPa，出現(xiàn)在支腿底部焊接處，主要是彎矩所致。如圖5、圖6所示。

外筒最大變形5.4 mm，出現(xiàn)在外筒頂部；外筒最大應力79.1 MPa，出現(xiàn)在鍵槽孔處。如圖7、圖8所示。

圖7 支腿外筒變形云圖 圖8 支腿外筒應力云圖

內筒最大變形3.2 mm，出現(xiàn)在頂部，由上至下變形逐漸減小。內筒最大應力312.3 MPa，出現(xiàn)在底處。內筒與鍵槽接觸處最大應力127.1 MPa。如圖9、圖10所示。

圖9 支腿內筒變形云圖 圖10 支腿內筒與鍵槽接觸處應力云圖

這是因為零件為兩端受力，底端固定約束，因此內筒的最大變形在最上端；而底端與連接板及固定板焊接一起，在兩端受力時，外筒頂端最先變形。內外筒應力最大處為內外筒升降導向裝配位置，主要原因是設備工作時，外筒上的伸縮鍵與內筒鍵槽過盈配合。隨著鍵槽與導向鍵之間的力增大到一定數(shù)值后，內外筒筒壁之間開始大面積接觸受力，承擔內外筒的主要載荷，因此鍵槽位置的受力不會過大。

4 結論與建議

通過結構分析可知，支腿大部分零件所受的應力強度滿足許用應力要求。但升降內筒與法蘭盤焊接處所受應力最大，并且部分應力集中在法蘭盤螺栓連接處，整體最大應力在489 MPa，主要是彎矩所致。為改善后輪支腿升降裝置在正常使用中出現(xiàn)的部分機型內筒底座變形及焊縫開裂現(xiàn)象，建議如下。

(1)改進升降內筒與法蘭盤連接處的焊接工藝。裝配時,焊件應保證軸向對準,盡可能減少其表面錯邊；施焊前，清除焊縫邊緣上的氧化物、潮濕和油污等，焊縫間隙和坡口應符合焊接工藝標準；焊接后，焊縫表面不應有裂紋、焊瘤、氣孔、咬邊以及未填滿的弧坑和凹陷，如有以上缺陷應及時修補。

(2)增大法蘭盤的尺寸厚度，在使用工況載荷不變的情況下，減少螺栓連接處的應力，將法蘭盤的厚度由原有的1.6 cm提高為4 cm，將底部的最大應力控制在200 MPa以內。

(3)在不影響內筒升降行程的前提下，也可在法蘭盤與升降內筒之間增加加強筋，但具體受力情況應重新進行受力分析評估。

按以上措施進行整改后，仍須對銑刨機的后續(xù)售后使用進行跟進反饋，落實改進效果。傳統(tǒng)的機械設計往往采用公式計算的方式。但設計零件較多時，傳統(tǒng)的設計無法對所有零件進行設計驗算，而使用仿真軟件則可以對可能發(fā)生故障的部件和部位進行預測，降低計算強度，縮短工期，有效降低故障率。