履帶式可伸縮轉運機舉升機構設計及仿真

王衡，黃蒙，陳永清，李響

履帶式可伸縮轉運機舉升機構設計及仿真

王衡1，黃蒙1，陳永清2，李響2

（1.中國葛洲壩集團勘測設計有限公司，湖北 武漢 430000； 2.三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002）

以履帶式可伸縮轉運機舉升機構為研究對象，在已有舉升機構設計理論的基礎上，本文設計一種新型舉升機構，考慮在具體工況中各點始末位置及最大舉升角度的幾何關系，對機構的結構尺寸進行設計計算?；诂F(xiàn)實工況特殊的強度要求，對機構的各部位進行受力分析，并借助有限元分析軟ANSYS Workbench模擬了三角臂與擺動裝置的受力情況，對結構強度進行校核，對三角臂結構進行了拓撲優(yōu)化。結果表明，此舉升結構具有可行性，并為其他機械舉升機構優(yōu)化設計提供理論依據(jù)和指導作用。

履帶式可伸縮轉運機；舉升機構；三維設計；有限元分析

因泥石流等引起堰塞湖形成會產(chǎn)生洪流隱患，故需對堰塞湖周邊土方進行連續(xù)轉運，而在現(xiàn)有技術設備中用于搶險水運方面有應急動力舟橋、應急分置式浮橋等，陸運方面有應急機械化橋、應急動力棧橋等，而空中則只有采用直升機吊裝[1]。但這些方式對土方連續(xù)轉運量有限，并且耗費時力，存在一定局限性。履帶式機器可適應各種地形，比如程凡強等[1]設計可適應多地形及越障履帶車以完成搜救，侯汝興等[2]設計一款履帶式巡邏機器人。江桂蘭等[3]借助皮帶輸送機轉運方便和運輸量大的特點，設計了可伸縮式的皮帶運送機。

因此本文借鑒履帶和輸送機設計一款履帶式可伸縮轉運機，而其中最主要的機構為舉升機構，要承載桁架和伸縮機重量。而舉升機構有多種形式，岳慶超等[4]針對自卸車舉升機構設計提出兩種設計方案：直推式舉升機構（前置式、后置式）；連桿式舉升機構（前推式、后推式）。高強[5]提出應用理論力學、彈塑性力學和液體的彈性模量等相關理論與知識，對旋挖鉆機大三角變幅機構各鉸接點建立了數(shù)學模型并進行受力分析，為設計選型、校核及有限元分析校核方面提供了理論參考。張雪華[6]建立有限元模型確認舉升推展伸縮機構應力最大值出現(xiàn)在工作極限狀態(tài)下，根據(jù)疲勞強度損傷理論，評估分析了舉升推展伸縮機構工作極限狀態(tài)的疲勞特性和可靠性。張亮[7]對伸縮機構中的兩個關鍵機構移動副間隙消除機構與轉動運動實時補償機構進行了受力分析與有限元分析，驗證了各部件的強度。王振永[8]以HSC55P履帶式自卸車為對象，對其高位舉升及傾卸系統(tǒng)的結構方案、關鍵參數(shù)和驅動系統(tǒng)進行了研究和設計。在對常見形式高位舉升系統(tǒng)進行分析對比的基礎上，提出了適用于HSC55P履帶式自卸車的剪式高位舉升系統(tǒng)方案。闞萍等[9]對某自卸車三角臂建立了基于有限元軟件平臺的整車剛柔耦合多體動力學仿真分析模型，提出3種改進方案進行對比分析，從而確定最優(yōu)結果，實現(xiàn)了對舉升機構關鍵件的合理改進。李勉等[10]借助ANSYS Workbench對自卸車舉升機構進行有限元分析，為本文校驗提供了思路。

1 履帶式可伸縮轉運機三維建模

運用三維建模軟件Pro/E對履帶式可伸縮轉運機整體進行建模，結構如圖1所示，其由動力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、擺動裝置以及桁架組成，舉升機構作為整機上部分主要承載構件，通過鉸接將桁架與擺動裝置連接。整機具體參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 履帶式可伸縮轉運機三維模型

表1 履帶式可伸縮轉運機

2 舉升機構設計及受力分析

2.1 舉升機構設計計算

該舉升機構采用連桿式舉升機，為了克服側向力，采用圖所示舉升機構，主要由三角臂、拉桿和舉升油缸等組成，作為中間機構將桁架與擺動裝置連接。各個零件之間通過鉸接連接在一起，則構成平面連桿機構。由于設計已規(guī)定最大舉升角為15°，對運轉機車體部位建立直角坐標系，取皮帶機支撐底梁后鉸支點為坐標原點。

圖2 舉升機構圖

2.1.1 舉升機構各位置點設計

取三角臂各頂點為，而油缸下鉸支點為。由于在舉升過程中隨著油缸的伸長，舉升機構的三角臂點1111將會運動到點222。其中點1111為未舉升時舉升機構三角臂的三頂點及油缸下鉸支點初始位置；點222為舉升角在15時的三角臂的三頂點位置；而拉桿的后鉸支點2為已知的固定點。那么依據(jù)幾何關系可得出各固定點坐標1（3800, -150）、2（3640, 300）、1（3300, 0），舉升質量質心（1050, 0）。坐標系如圖3所示。

圖3 舉升機構坐標系

2.1.2 油缸行程計算

2.2 舉升機構受力分析

針對舉升機構進行受力分析主要目的是求得在油缸在桁架初始位置以及最大舉升角位置所承受載荷值，為油缸參數(shù)計算提供依據(jù)。其中舉升力系數(shù)是體現(xiàn)機構動力性指標，指單位舉升質量所需油缸的推力，計算公式為：

由表1可得＝20 g（即196 000 N）。值直接決定著舉升機構的經(jīng)濟性能，值越小越好。

假若伸縮輸送機為分離體，則通過力矩平衡方程有：

假若伸縮輸送機為分離體，則通過力矩平衡方程有：

2.2.1 油缸受力計算

取承受載荷為196 000 N，則水平時油缸舉升力為：

計算可得每個油缸受力為79 870 N。選用缸徑125的DG型車輛用液壓缸，工作壓力為16 MPa，滿足舉升所需力大小。

2.2.2 結構受力計算

當舉升角度為最大角15°時，對于三角臂結構取力矩平衡有∑M＝0，即為：

3 舉升機構有限元分析

3.1 結構強度校核

由于ANSYS Workbench與三維建模軟件之間有著較好的兼容性，因此采用三維軟件依據(jù)所設計尺寸對舉升機構部件進行三維實體建模，將建好模型另存為ANSYS Workbench能識別的x_t格式。

由于在舉升過程中拉桿承受載荷在最大舉升角時為最大，因此對于最大舉升角工況進行靜力學分析。對于有限元分析分為前處理以及后處理。在前處理中已建立好模型，接下來便是網(wǎng)格劃分及載荷約束施加。針對結構首先進行網(wǎng)格收斂性分析，發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)格大小為3 mm時，分析結果得到收斂且計算時長占比合理。

三角臂位于拉桿上方，因此首先針對三角臂進行受力分析，三角臂其中一個孔進行全約束（Fix support），其余兩個孔分別施加油桿載荷與拉桿載荷。在設置完成求解過程后提取等效應力云圖，結果如圖4所示。大小為53.134 MPa，而結構屈服應力為235 MPa，而結果還未達到屈服應力值，說明結構符合強度要求。

拉桿連接三角臂與擺動裝置，因此對于拉桿，一孔進行全約束，一孔施加載荷，大小為41 305.02 N，應力云圖如圖5所示，等效應力大小為103.39 MPa，拉桿與三角臂采用同種材料，因此屈服應力也為235 MPa。同樣符合強度要求。

圖4 三角臂應力云圖

圖5 拉桿應力云圖

3.2 拓撲優(yōu)化設計

為將三角臂結構在滿足結構強度的同時減輕結構重量，因此對三角臂進行拓撲優(yōu)化。在保證結構強度情況下去除對結構影響不大部分，由于不能破壞結構構造，因此規(guī)定優(yōu)化區(qū)域為中心三角形區(qū)域。計算模塊選取Topology Optimization，優(yōu)化區(qū)域如圖6所示。藍色為優(yōu)化區(qū)域，紅色為約束區(qū)域（即不參與優(yōu)化），設置分別保留80%和50%質量，結果如圖7、圖8所示。說明中間區(qū)域對結構強度影響不大，可以去除，因此該方法在保留結構強度和強量化有很好的應用前景。

4 結論

通過理論計算得到機構的應力，并借助ANSYS Workbench軟件的Static Structural模塊對履帶式可伸縮轉運機的舉升機構進行靜力學仿真分析。在分析中將舉升機構的三角臂作為柔性體處理，經(jīng)過理論計算，得到了在整個工作過程中，三角臂的應力變化情況。當車廂傾斜角度為15°時，三角臂在與舉升機構的鉸接處出現(xiàn)最大應力。在此基礎上，借助ANSYS Workbench軟件對結構進行強度校核，未達到屈服應力值，說明結構符合強度要求，同時對結構進行了拓撲優(yōu)化，在不影響結構強度的條件下，能夠較好的減輕結構質量。從而可得，此此方案可行，為后面的工程實踐提供理論依據(jù)，能夠起到指導性作用。

圖6 優(yōu)化區(qū)域三維模型

圖7 去除20%材料后區(qū)域圖

圖8 去除50%材料后區(qū)域圖

[1]程凡強，陳述平. 履帶式折疊越障搜救車的設計[J]. 機械，2012，39（6）：52-54，57.

[2]侯汝興，宋杰，趙佳峰，等. 履帶式巡邏機器人設計[J]. 機械，2018，45（12）：38-40.

[3]江桂蘭，楊麗娜. 平面轉彎可伸縮皮帶輸送機驅動布置合理選擇[J]. 機械，2008（7）：23-24.

[4]岳慶超，鄭義. 基于SolidWorks的自卸車舉升機構設計[J]. 南方農(nóng)機，2020，51（19）：58-59，84.

[5]高強，秦愛國，張寬裕，等. 旋挖鉆機大三角變幅機構受力分析數(shù)學模型的建立[J]. 鑿巖機械氣動工具，2012（2）：39-43.

[6]張雪華，翁劍成. 排澇搶險車舉升推展伸縮機構可靠性分析[J]. 湖北理工學院學報，2020，36（2）：1-4，21.

[7]張亮. 25米車載雷達伸縮機構的設計與分析[D]. 秦皇島：燕山大學，2021.

[8]王振永. HSC55P履帶式自卸車高位舉升系統(tǒng)研究[D]. 西安：長安大學，2015.

[9]闞萍，錢立軍，黃偉. 自卸車舉升結構件改進設計及分析[J]. 合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2008（1）：143-145，157.

[10]李勉，頓文濤，袁帥，等. 基于ANSYS的自卸車舉升機構瞬態(tài)動力學仿真分析[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學學報，2015，49（3）：353-356.

Design and Simulation of Lifting Mechanism of Crawler-Type Retractable Transfer Machine

WANG Heng1，HUANG Meng1，CHEN Yongqing2，LI Xiang

( 1.China Gezhouba Group Survey&DesignCo., Ltd., Wuhan 430000, China; 2.College of Mechanical and Power Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China )

Taking the lifting mechanism of the crawler-type retractable transfer machine as the research object, a new type of lifting mechanism is designed in this paper, The starting and ending positions of each point and the maximum lifting angle in specific working conditions. The geometric relationship is used to design and calculate the structural dimensions of the mechanism. Based on the special strength requirements of the actual working conditions are considered in the design, the force analysis of each part of the mechanism is carried out, and the force of the triangular arm and the swing device is simulated with the finite element analysis software ANSYS Workbench, The structural strength is checked. And the topology optimization of triangular arm structure is carried out. The results show that this lifting structure is feasible, which provides theoretical basis and guidance for the optimal design of other mechanical lifting devices.

crawler-type retractable transfer machine；lifting mechanism；3D design；finite element analysis

O242.21

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.11.010

1006-0316 (2022) 11-0070-05

2022-01-10

國家自然科學基金青年科學基金（51305232）；國家科技部重點研發(fā)計劃：堰塞湖風險評估快速檢測與應急搶險技術和裝備研發(fā)（2018YFC1508600）

王衡（1966－），男，湖北浠水人，正高級工程師，主要研究方向為工程結構設計及施工裝備設計、研發(fā)等，E-mail：wheng8506@163.com。