拖拉機(jī)用油底殼強(qiáng)度分析與研究

隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，機(jī)械化程度的不斷提高，拖拉機(jī)走入平常農(nóng)戶家，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提高發(fā)揮著巨大的作用。農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)所面臨的作業(yè)種類包括牽引、懸掛并驅(qū)動各種配套農(nóng)機(jī)具，完成多種農(nóng)田作業(yè)、運(yùn)輸作業(yè)和固定場地作業(yè)，作業(yè)種類繁多，作業(yè)負(fù)載多變。

發(fā)動機(jī)不僅作為農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)的動力源，還要在整車系統(tǒng)中承擔(dān)大梁的作用，多數(shù)通過油底殼與車橋相連，油底殼承受較大的彎矩。因此油底殼除了儲存機(jī)油和密封機(jī)體以及收集從各摩擦副流回的潤滑油外

，還需要承受發(fā)動機(jī)的重量以及前橋的扭轉(zhuǎn)力矩、配重的水平彎曲力矩，起承前啟后的作用。因此，油底殼的強(qiáng)度對整車的結(jié)構(gòu)可靠性起至關(guān)重要的作用。另外，四輪驅(qū)動的拖拉機(jī)還要求油底殼為整車傳動軸避讓空間，更增加了拖拉機(jī)用油底殼設(shè)計(jì)的局限性。

隨著仿真模擬手段的日益成熟，CAE技術(shù)普遍應(yīng)用在機(jī)械制造業(yè)。通過CAE仿真分析，能夠?qū)υO(shè)計(jì)有一定的預(yù)見性，準(zhǔn)確的找到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，可提高設(shè)計(jì)人員的工作效率，并節(jié)省大量的樣件成本，為設(shè)計(jì)者優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供思路等優(yōu)點(diǎn)。

國內(nèi)某公司面向農(nóng)業(yè)市場設(shè)計(jì)了一款拖拉機(jī)用發(fā)動機(jī)，本文使用Creo、 HyperMesh、Abaqus等CAE軟件對拖拉機(jī)用油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，判斷其是否滿足市場對發(fā)動機(jī)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)要求，并對油底殼提出優(yōu)化建議。

1 拖拉機(jī)油底殼三維模型

油底殼設(shè)計(jì)需要參考發(fā)動機(jī)內(nèi)部和外部邊界的具體結(jié)構(gòu)，并且滿足發(fā)動機(jī)換油周期和本身潤滑系統(tǒng)需求。在設(shè)計(jì)具體結(jié)構(gòu)時(shí)，需要避免曲軸攪動機(jī)油以及吸油口吸入空氣。同時(shí)，要保證外形盡量緊湊合理。

拖拉機(jī)用發(fā)動機(jī)油底殼結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體布局如圖2所示。油底殼的材料為灰鑄鐵，前端與前橋相連。后端與發(fā)動機(jī)飛輪殼相連，飛輪殼與變速箱相連。

2 油底殼有限元仿真分析

2.1 有限元模型的建立

從以上仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，該拖拉機(jī)油底殼在強(qiáng)度方面不滿足農(nóng)業(yè)市場的使用要求，幾處應(yīng)力超過材料本身的抗拉強(qiáng)度，油底殼與機(jī)體間的輔助支撐處受到的強(qiáng)度較大，存在斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，高周疲勞安全系數(shù)低于正常評估系數(shù)。由于高周疲勞安全系數(shù)與評估系數(shù)差距太大，導(dǎo)致對該油底殼的改動較大。增加油底殼的剛度主要有兩個(gè)方面：

企業(yè)或個(gè)體參與的規(guī)?；芾?，是一種集約服務(wù)模式：其在工程管理使用上，始終堅(jiān)持誠信為本、互惠互利，建設(shè)管理主體與項(xiàng)目村和用水農(nóng)戶結(jié)成了良好的合作關(guān)系；在管理理念上，堅(jiān)持為民服務(wù)，核心是“要把事辦在老百姓的心坎上”；在管理方法上，實(shí)施最少的管理或自主管理達(dá)到管理所要的效果；在利益分配上，將具體工程管理人、受益果農(nóng)與公司綁成利益共同體，風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)，利益共享。

2.2 材料屬性

進(jìn)行有限元分析之前要確定模型單元的材料屬性，并將材料屬性賦給單元。本文涉及應(yīng)力分析，材料屬性要包含模量、泊松比等

。表1是本文需要計(jì)算的各零部件材料屬性。其中，前托架采用球鐵材料，機(jī)體、飛輪殼等采用灰鑄鐵材料。

2.3 邊界約束

邊界約束是否正確直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。在給予部件賦予材料屬性的同時(shí)，各零部件之間的連接方式也需要結(jié)合實(shí)際工作狀況進(jìn)行設(shè)置。表2是螺栓連接屬性表。

2.4 工況計(jì)算與仿真結(jié)果

工況計(jì)算時(shí)要施加合理的載荷和約束，本文中有限元分析載荷按照市場對拖拉機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)載荷來施加

，本文的模型載荷主要參考的是某公司對拖拉機(jī)進(jìn)行的三個(gè)實(shí)驗(yàn)(垂直彎曲測試、水平彎曲測試、扭曲測試)邊界條件。

垂直彎曲測試的主要目的是檢驗(yàn)底盤在加載前后配重情況下垂直彎曲可靠性。因此在建立仿真約束時(shí)模型的前橋、后橋除旋轉(zhuǎn)自由度外，其余自由度全約束。圖4是簡化的垂直彎曲試驗(yàn)邊界圖。圖5是添加垂直彎曲約束的有限元網(wǎng)格模型圖。

施加最大螺栓預(yù)緊力及水平彎曲測試工況(前軸左右兩側(cè)分別施加載荷，載荷循環(huán)施加6000次)對系統(tǒng)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。其中，兩前輪單獨(dú)施加51.5kN載荷時(shí)，油底殼最大主應(yīng)力為53.9MPa，施加載荷的大小對仿真結(jié)果的影響較大，因此邊界的選擇非常重要。

2014年，青海鹽湖工業(yè)股份有限公司調(diào)整總體經(jīng)營思路，在鞏固既有市場、擴(kuò)大市場份額的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)變經(jīng)營思路，上接資源、下接市場，按照不同區(qū)域和品種，聯(lián)合市場優(yōu)勢資源分別與行業(yè)龍頭企業(yè)組建了六大聯(lián)營公司。其中，四川鹽湖化工銷售有限公司就是青海鹽湖工業(yè)股份有限公司和新希望集團(tuán)有限公司成立的混合所有制公司，已成為中國最大的鉀化學(xué)品市場營銷、物流配送和客戶服務(wù)的專業(yè)經(jīng)營公司。

施加最大螺栓預(yù)緊力及垂直彎曲測試工況，對系統(tǒng)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。其中，前部和后部同步施加載荷時(shí)，油底殼主應(yīng)力最大，最大為472.9MPa。前部施加45kN豎直向下載荷時(shí)，最大應(yīng)力為380.8MPa，后部施加75kN豎直向下載荷時(shí)，最大應(yīng)力為106.2MPa。

2.4.2 水平彎曲測試計(jì)算工況與仿真

水平彎曲測試的主要目的是檢驗(yàn)底盤在承受后部載荷工況下的可靠性，為此水平彎曲測試的邊界約束為：后橋僅可旋轉(zhuǎn)，前橋中心保持豎直方向坐標(biāo)不動。圖6是簡化的水平彎曲試驗(yàn)邊界圖。

2.4.1 垂直彎曲測試計(jì)算工況與仿真

很少看到普通車輛闖紅燈，至于普通行人，“中國式”過馬路則時(shí)有所見。那次，紅燈亮起，車輛和行人都緩緩?fù)Ｏ?。一個(gè)騎著電瓶車的小伙子，見交叉方向的道上車輛不多，電門一加，便朝前駛?cè)ァＲ惠v趕著綠燈行駛的車輛猝不及防，對著電瓶車的屁股，猛地一撞，電瓶車撞翻在地上，小伙子被撞飛到十幾米之外。據(jù)說那個(gè)小伙子經(jīng)搶救脫離了生命危險(xiǎn)，但這驚魂一幕，卻在我的記憶中揮之不去。

2.4.3 扭轉(zhuǎn)測試計(jì)算工況與結(jié)果

綜上所述，盡管海南省旅游經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)評價(jià)指數(shù)呈現(xiàn)相反的發(fā)展趨勢，但兩者協(xié)調(diào)發(fā)展水平較為穩(wěn)定，且有進(jìn)一步提升的潛力。我們應(yīng)該意識到旅游經(jīng)濟(jì)并非“無煙產(chǎn)業(yè)”，不顧對生態(tài)環(huán)境的影響大刀闊斧地發(fā)展旅游將威脅到旅游業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展和人類的長期利益。因此，我們應(yīng)該將生態(tài)文明建設(shè)融入旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，同時(shí)，加大旅游業(yè)扶持力度，發(fā)揮旅游經(jīng)濟(jì)的帶動功能和支柱功能，促進(jìn)海南省旅游經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)有序發(fā)展。

2.4.4 高周疲勞計(jì)算工況及仿真

施加最大螺栓預(yù)緊力及水平彎曲測試工況(前軸左右兩側(cè)車輪交替施加不同載荷，循環(huán)2000次)對系統(tǒng)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。左前輪施加豎直向上的61.8kN載荷，油底殼最大主應(yīng)力為201.6MPa，右前輪施加豎直向上61.8kN載荷，油底殼最大主應(yīng)力為161.4MPa。

扭轉(zhuǎn)測試的主要目的是檢驗(yàn)底盤在承受扭轉(zhuǎn)載荷下的強(qiáng)度和可靠性，為此模型的邊界約束為：后橋可旋轉(zhuǎn)，前橋中心位置僅可旋轉(zhuǎn)。圖7為簡化的扭轉(zhuǎn)測試試驗(yàn)邊界圖。

施加最大螺栓預(yù)緊力及三種不同的測試邊界工況，對油底殼疲勞進(jìn)行計(jì)算，其中垂直彎曲工況，安全系數(shù)0.41，扭轉(zhuǎn)測試工況，安全系數(shù)0.44。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

拖拉機(jī)用油底殼通過飛輪殼、油底殼等零部件與整車變速箱和車架相連。有限元可將一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度進(jìn)行求解。對構(gòu)建好的油底殼模型進(jìn)行離散化，并將連續(xù)的實(shí)體按照一定方式劃分成互相聯(lián)結(jié)的有限個(gè)個(gè)體單元，即得到有限元模型。

1.2.1 調(diào)查內(nèi)容。以現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查為主，并結(jié)合訪問當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)人員，查閱相關(guān)歷史、地方志等資料[8]。調(diào)查內(nèi)容包括樹種名稱、地理位置、海拔、坡度、坡位、坡向、樹高、胸徑、冠幅等。

(1)更換油底殼材料

肺GGN是一種有惡變可能的特殊肺結(jié)節(jié)，因此合理科學(xué)地對其進(jìn)行管理和隨訪，對早期發(fā)現(xiàn)肺癌、改善患者預(yù)后、節(jié)約醫(yī)療資源具有重要意義。目前已有較多版本的指南及專家共識對肺GGN的風(fēng)險(xiǎn)評估及處理策略進(jìn)行了闡述，但彼此之間存在一定差異。

(2)優(yōu)化油底殼結(jié)構(gòu)

針對本次油底殼的仿真結(jié)果，選擇優(yōu)化油底殼結(jié)構(gòu)來提高強(qiáng)度。具體如下：

首先，根據(jù)計(jì)算需求處理幾何模型，進(jìn)行幾何清理，根據(jù)模型大小和結(jié)構(gòu)等因素劃分網(wǎng)格。本文采用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)做具體的網(wǎng)絡(luò)劃分。螺栓采用一階五面體單元，其余如飛輪殼、機(jī)體、變速箱等零部件均采用二階四面體單元

。網(wǎng)格劃分步驟對于有限元分析非常重要，因?yàn)榫W(wǎng)格質(zhì)量直接影響分析結(jié)果的質(zhì)量，同時(shí)單元數(shù)量也會影響計(jì)算時(shí)間。要在保證分析結(jié)果精確的前提下，盡量減少計(jì)算時(shí)間。有限元網(wǎng)格劃分模型見下圖3。

(1)增加油底殼壁厚

第二、三、四章著重分析了行政部門中存在的形形色色的貪腐現(xiàn)象。以收取禮物或因公出差為名，行中飽私囊之實(shí)者有之，趁位居政府要職之便，代表他方和美國政府打交道，從而索取非法報(bào)酬者也有之。此外，圍繞政府官員呈報(bào)自身財(cái)務(wù)狀況 (financial disclosure)，官員財(cái)務(wù)上的利益沖突，官員的“覆蓋關(guān)系”(covered relationship)(即官員與配偶、直系親屬、配偶的雇主、官員的前雇主、官員仍直接參與的外界組織等的關(guān)系)，旋轉(zhuǎn)門 (revolving door)(即政、商界之間的人員流動)，乃至總統(tǒng)、副總統(tǒng)應(yīng)否不受利益沖突法的約束，等等，作者都一一解剖，提出看法。

負(fù)面清單模式能夠極大地賦予市場主體從事經(jīng)濟(jì)活動的自由，這可能會造成社會資本流向熱點(diǎn)行業(yè)、熱點(diǎn)地區(qū)，導(dǎo)致行業(yè)發(fā)展不平衡，地區(qū)發(fā)展不均衡。適當(dāng)?shù)墓苤瓶梢砸龑?dǎo)市場主體的行為，避免市場主體之間的惡性競爭，更合理、有效地配置社會資源，促進(jìn)行業(yè)和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的均衡發(fā)展，防止壟斷的發(fā)生。

在確定油底殼壁厚時(shí)，一般應(yīng)綜合考慮以下三個(gè)方面：保證油底殼達(dá)到所需要的強(qiáng)度和剛度；盡可能節(jié)約材料；鑄造時(shí)沒有很大的困難。從鑄造角度分析，主要是考慮鑄造合金的流動性，要滿足最小壁厚，否則很難保證充滿鑄型，容易產(chǎn)生澆不足、冷隔等鑄造缺陷。當(dāng)然壁厚也不能一味的增加，否則容易出現(xiàn)縮孔、縮松等問題，從而使油底殼的機(jī)械性能下降。本文中油底殼由于高周疲勞安全系數(shù)較低，將油底殼的整體壁厚由8mm增加至15mm。 (2)在油底殼側(cè)面中下位置增加加強(qiáng)筋，通過加強(qiáng)筋連通整個(gè)側(cè)面改善油底殼側(cè)面應(yīng)力集中的問題。

加強(qiáng)筋可以增加鑄件的強(qiáng)度和剛度，防止裂紋、變形等，改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。本文模型中油底殼側(cè)面應(yīng)力較大，可以采取增加加強(qiáng)筋。在增加加強(qiáng)筋的過程中，應(yīng)注意不妨礙開模。

(3)在油底殼與發(fā)動機(jī)結(jié)合面增加輔助連接，緩解垂直彎曲中結(jié)合面所受應(yīng)力。

(4)油底殼局部圓角尺寸增大，解決應(yīng)力問題。

一般情況下，鑄件上各轉(zhuǎn)角都應(yīng)設(shè)計(jì)為合理的圓角，這對于防止鑄造缺陷，提高鑄件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都有很大的作用。如果圓角設(shè)計(jì)尺寸較小，在澆注時(shí)該處型砂易被金屬液沖壞，從而形成砂眼等缺陷。本文將圓角尺寸增大，減小應(yīng)力問題。

將改進(jìn)后的模型按照相同的施加載荷和邊界約束，重新進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果顯示，模型在垂直彎曲計(jì)算、水平彎曲計(jì)算、扭轉(zhuǎn)計(jì)算工況中的最大應(yīng)力都在材料屬性范圍內(nèi)，滿足拖拉機(jī)油底殼使用要求。圖8為垂直彎曲試驗(yàn)仿真計(jì)算結(jié)果。

從TCMSP數(shù)據(jù)庫中收集到鉤藤散方劑中10味中藥的活性化合物，其中鉤藤65種、陳皮63種、半夏116種、茯苓34種、人參190種、防風(fēng)173種、生姜265種、甘草280種、菊花359種、麥冬8種，TCMID查詢到麥冬成分40種、石膏成分1種，根據(jù)設(shè)置的篩選條件OB≥30%、BBB≥0.3、DL≥0.18，篩選鉤藤散上述化學(xué)成分，其中石膏主要成分硫酸鈣因無有效預(yù)測靶點(diǎn)被剔除，40種麥冬有效成分沒有AMDE數(shù)據(jù)，從中選擇文獻(xiàn)報(bào)道具有藥物活性的化合物8種[22-24]，最終篩選出鉤藤散的65個(gè)活性化合物進(jìn)行后續(xù)分析，化合物信息見表1。

4 總結(jié)

本文在有限元分析的基礎(chǔ)上，參考國外公司對拖拉機(jī)用發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)方法對國內(nèi)某一拖拉機(jī)油底殼進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)，改進(jìn)前油底殼強(qiáng)度不滿足市場使用要求，多處強(qiáng)度不足，可靠性較低，優(yōu)化后的油底殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足農(nóng)業(yè)市場的使用要求。針對油底殼設(shè)計(jì)，除了考慮正常儲油等功用外，還需要考慮細(xì)分市場整車匹配、使用工況、邊界條件等因素，提升油底殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

[1]史文庫，姚為民.汽車構(gòu)造(上冊)第六版.[M].北京：人民交通出版社，2013:261-263.

[2]張紀(jì)元.商用采油機(jī)設(shè)計(jì)[C].濰坊：張紀(jì)元，2012年：237-253.

[3]宋智文.基于ABAQUS的油底殼模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)，2018，5:35-40.

[4]譚繼錦，張代勝.汽車構(gòu)造有限元分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009:135-160.