基于Pro E建模及CAE分析的中型挖掘機(jī)設(shè)計(jì)分析

姚金梅

(上海三一重機(jī)股份有限公司,上海200000)

1 相關(guān)零部件選型

1.1 新機(jī)器與母型機(jī)對(duì)比

某中型Tier 4 final液壓挖掘機(jī)開(kāi)發(fā)以滿足Tier 3排放的SY215C9C3KL機(jī)型為基型機(jī)，采用康明斯Tier 4 final排放發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理系統(tǒng)，以滿足安裝完成后的整機(jī)排放要求，新款機(jī)器在基型機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)、優(yōu)化，本文主要針對(duì)如下幾個(gè)變動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行闡述：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)采用康明斯QSL9 Tier 4 final排放發(fā)動(dòng)機(jī)。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)采用DOC+DRT+SCR技術(shù)方案。

（3）合理布置后處理系統(tǒng)以及尿素系統(tǒng)零部件及其管路。

（4）散熱器重新選擇除濕式散熱器，尺寸加大。

1.2 排氣系統(tǒng)選型

排氣系統(tǒng)與基型機(jī)相比主要是增加后處理裝置DOC+DRT+SCR，及尿化系統(tǒng)，DOC將顆粒物中主要含有的HC及CO等未完全燃燒物轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳，尿化系統(tǒng)SCR可以進(jìn)一步降低NOx的排放。根據(jù)康明斯要求：尿素罐最小可用容積為燃油箱可用容積乘于0.045 ，其中0.045 為燃油消耗尿素比率，按此要求計(jì)算：尿素罐最小可用容積 為燃油箱可用容積*0.045 ，即為燃油箱容積*0.75 *0.045 ，然油箱容積為340L，因此尿素罐最小可用容積為340L*0.75 *0.045 ，即11.475 L尿素罐最小容積為尿素罐最小可用容積/0.75 ，即15.3 L，尿素罐供應(yīng)商Shaw提供的尿素罐最小容積均為5加侖（18.9 L）。因此選用容積為5加侖（18.9 L）的尿素罐滿足康明斯要求。同時(shí)，燃油箱可支持機(jī)器運(yùn)行小時(shí)數(shù)為燃油箱可用容積/小時(shí)油耗即燃油箱容積*0.75 /小時(shí)油耗，340L*0.75 /24.65 ，計(jì)算結(jié)果為10.34 hr，滿足北美客戶每天操作機(jī)器不多于10小時(shí)，每天加一次油的要求。

最終根據(jù)三維設(shè)計(jì)尺寸，及相關(guān)的性能要求，確定一套三一美國(guó)shaw公司的后處理尿化系統(tǒng)零部件選型。

1.3 散熱器的選型

為了匹配康明斯新型發(fā)動(dòng)機(jī)及其尿化系統(tǒng)，散熱器的設(shè)計(jì)思路如下：

（1）冷風(fēng)側(cè)風(fēng)速：考慮風(fēng)阻，芯體厚度控制在145,風(fēng)速控制在6.5 m/s左右。

（2）外翅片選擇：防堵方面，不采用錯(cuò)齒、開(kāi)窗翅片，不采用小波距翅片；散熱風(fēng)阻方面，采用風(fēng)阻小的翅片。

（3）根據(jù)計(jì)算，確定散熱器前端風(fēng)速，根據(jù)散熱器風(fēng)阻，得到風(fēng)扇的P-Q要求。

（4）根據(jù)進(jìn)風(fēng)風(fēng)速，輸入設(shè)計(jì)條件，選擇散熱器翅片與管道配比，內(nèi)外翅片，計(jì)算輸出散熱器的性能參數(shù)。

由于康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)要求使用除氣式水散，最終選用揚(yáng)州通宇散熱器有限公司散熱器ZH950×150×1020-S100Y55Z25，增加了具有除氣功能的副水箱散熱器。

2 3 D模型建立

2.1 后處理系統(tǒng)三維模型建立

康明斯搭載要求如下：

（1）排氣阻力＜32KPa。

（2）渦輪增壓出口到DOC入口溫度降＜20℃，渦輪增壓出口到SCR入口溫度降＜40℃。

（3）后處理振動(dòng)要求：正常工作＜7.9 G，沖擊載荷最大不得超過(guò)24G,沖擊載荷超過(guò)10G，30分鐘內(nèi)不得超過(guò)6次。

（4）后處理漏氣要求：從DOC入口到SCR出口壓力4.5 psig時(shí)泄露量小于1.5 scfm(3.87 L/min)。

（5）尿素解凍要求：-11℃以下需要解凍。

2.2 后處理系統(tǒng)在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上的布局

根據(jù)整機(jī)布局及相關(guān)的性能要求，后處理系統(tǒng)三維模型如圖1所示，此三維模型有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）新機(jī)型的可維護(hù)性主要體現(xiàn)在保養(yǎng)件及后處理新增零部件的可維護(hù)性，新增尿素罐要方便尿素加注，打開(kāi)右門(mén)就可以完成相關(guān)保養(yǎng)。尿素罐的安裝結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)化、輕便，便于尿素罐的拆裝。

（2）后處理系統(tǒng)尿素泵通過(guò)安裝支板裝在SCR-DRT-DOC系統(tǒng)的四個(gè)支柱上，一體連接，保證連接尿素泵與SCR系統(tǒng)的尿素噴射管的連接穩(wěn)定性。

（3）四根支柱為直角彎板，中間有圓弧槽，這樣中間窄，兩頭連接處比較寬，保證連接穩(wěn)定性，同時(shí)節(jié)省空間，下端焊接安裝板，通過(guò)三個(gè)孔與回轉(zhuǎn)平臺(tái)上的支撐板連接，保證穩(wěn)定性，同時(shí)在支柱上焊接帶孔安裝板，用來(lái)安裝門(mén)和尿素泵，本實(shí)用新型所提供的安裝立柱，不僅對(duì)后處理系統(tǒng)加強(qiáng)支撐的作用，同時(shí)為挖掘機(jī)右門(mén)安裝提供安裝孔位。

（4）SCR后處理系統(tǒng)的尿素泵固定結(jié)構(gòu)使尿素罐和尿素泵一體化，從而優(yōu)化整車上SCR系統(tǒng)的布置及尿素管路的布置，結(jié)構(gòu)緊湊、降低了成本。

（5）獨(dú)立設(shè)置的尿素存儲(chǔ)罐和尿素計(jì)量噴射泵組合成一個(gè)整體，簡(jiǎn)化了SCR系統(tǒng)在整車上的安裝布置，使尿素存儲(chǔ)罐至尿素計(jì)量噴射泵之間的尿素吸液管和尿素回液管管路的長(zhǎng)度不再隨尿素計(jì)量噴射泵安裝位置的變化而變化，減少了部件之間的連接管路，既有利于尿素管路的批量化生產(chǎn)，同時(shí)由于管路的明顯縮短而節(jié)約了大量成本、方便安裝。

2.3 回轉(zhuǎn)平臺(tái)模型

回轉(zhuǎn)平臺(tái)的模型設(shè)計(jì)應(yīng)最大限度的采用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件、借用件，已提高設(shè)計(jì)的繼承性和產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化程度；采用自頂向下的建模方法，首先利用Pro/E完成總體骨架的建立，然后完成零部件的設(shè)計(jì)；最后通過(guò)骨架裝配關(guān)系完成三維模型的搭建，零部件間進(jìn)行合理的約束[3]。相對(duì)于基型機(jī)，左平臺(tái)駕駛室安裝處、主平臺(tái)左右梁及回轉(zhuǎn)馬達(dá)安裝位置和右平臺(tái)大部分零部件均借用基型機(jī)，新增DOC+DRT+SCR系統(tǒng)，設(shè)計(jì)新型固定部件。

2.4 全新輔助管路系統(tǒng)

相對(duì)與母型機(jī)，優(yōu)化液壓系統(tǒng)，采用全電控比例液壓剪回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)PTO+定量齒輪泵+電磁比例換向閥+滑移鍵多功能短手柄方案，實(shí)現(xiàn)液壓剪回轉(zhuǎn)的比例量控制。液壓剪回轉(zhuǎn)馬達(dá)由齒輪泵單獨(dú)供油，解決了復(fù)合動(dòng)作時(shí)整車動(dòng)作慢，動(dòng)作不協(xié)調(diào)的問(wèn)題（液壓剪回轉(zhuǎn)和上車共用前泵流量）。

全電控快換控制系統(tǒng)，同時(shí)匹配全新開(kāi)發(fā)帶減壓功能的兩位四通快換閥，能滿足不同壓力快換器的應(yīng)用，同時(shí)減壓閥為電控閥，顯示屏可以直接設(shè)置壓力，無(wú)需手動(dòng)調(diào)節(jié)。

3 模型有限元分析

3.1 有限元分析流程

通過(guò)ANSYS Workbench與Pro/E的接口設(shè)置將兩種軟件集成，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，盡可能保證導(dǎo)入模型的準(zhǔn)確性；回轉(zhuǎn)平臺(tái)的有限元分析主要包括前處理、載荷施加和邊界條件設(shè)置、計(jì)算和結(jié)果分析三部分[4]。在Pro/E中將模型導(dǎo)出為*.x_t格式的文件，在畫(huà)出焊縫及對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

3.2 邊界條件

后處理支架部分，材料為SS400P，四個(gè)立柱的板厚為5mm，發(fā)動(dòng)機(jī)DOC及DOC支架的重量為29KG，發(fā)動(dòng)機(jī)SCR及SCR支架重量為47KG，發(fā)動(dòng)機(jī)DRT及DRT支架重量為7.23 KG，振動(dòng)加速度上下方向取10g。散熱器支架板厚為6mm，對(duì)應(yīng)支撐板為10mm。材料為Q235B，相對(duì)于基型機(jī)，因后處理為新增部件，散熱器由原來(lái)的170增重至201KG，特對(duì)此兩部位做分析。

后處理支架采用兩種約束方案，每個(gè)方案分別計(jì)算兩種工況的靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變，即工況一：向下加載10g+向左2g+向前2g；工況二：向下加載10g+向右2g+向后2g。散熱器支架約束其連接板與平臺(tái)連接部位，施加散熱器重力230g。

3.3 有限元分析結(jié)果

有限元分析結(jié)果輸出，處理支撐應(yīng)力云圖中可以看出，兩種工況，底部上部全約束，底部全約束、上部自由，底部全約束、上部自由，最大應(yīng)力為226.38 MPa。

相關(guān)重點(diǎn)相關(guān)應(yīng)力數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

從散熱器支撐板的分析云圖最大應(yīng)力為43.642 MPa。

3.4 后處理支撐與散熱器支撐板相關(guān)結(jié)果分析與總結(jié)

3.4.1 通過(guò)對(duì)此中型液壓挖掘機(jī)后處理支撐強(qiáng)度分析，其最大應(yīng)力值為226.38 MPa，而材料的屈服極限為245MPa，滿足強(qiáng)度要求，對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大。

3.4.2 通過(guò)對(duì)此中型挖掘機(jī)散熱器支架分析，其最大應(yīng)力發(fā)生在散熱器支架與平臺(tái)連接處，為43.642 MPa，量值維持在較低水平，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限235MPa，靜強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)某中型Tie4f新型挖機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程，根據(jù)開(kāi)發(fā)要求，對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行選型，運(yùn)用Pro/E軟件回轉(zhuǎn)平臺(tái)上進(jìn)行整體布局和建模，完成挖掘機(jī)零部件的設(shè)計(jì)和挖掘機(jī)的裝配，運(yùn)用該軟件模型分析功能，為有限元分析提供計(jì)算邊界條件。本文將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代有限元分析手段相結(jié)合，運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行載荷計(jì)算和有限元分析，在基型機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)變化的部分進(jìn)行有限元分析，通過(guò)分析結(jié)果，得到了最大變形和最大應(yīng)力云圖，使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析更加簡(jiǎn)單、便捷。整機(jī)下線，通過(guò)實(shí)際的應(yīng)力測(cè)試，及相關(guān)的性能實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)滿足性能及強(qiáng)度要求。設(shè)計(jì)初期提前線上分析設(shè)計(jì)，很多問(wèn)題提前發(fā)現(xiàn)，在模型設(shè)計(jì)階段及時(shí)處理對(duì)策，以免在樣機(jī)線下試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，再解決，這樣省時(shí)省力，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。