【摘 要】動(dòng)力單元設(shè)計(jì)是模塊運(yùn)輸車設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，研究如何在較小的空間內(nèi)設(shè)計(jì)布置出可以輸出大功率驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)并能保證框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、各機(jī)構(gòu)正常工作的動(dòng)力單元尤為重要。根據(jù)模塊運(yùn)輸車工作的實(shí)際需求，結(jié)合以往類似產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分析模塊運(yùn)輸車動(dòng)力單元的已知參數(shù)，建立相關(guān)的設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行安裝架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析、發(fā)動(dòng)機(jī)選型匹配及成套設(shè)計(jì)、動(dòng)力單元的布置及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】模塊運(yùn)輸車；動(dòng)力單元；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

模塊運(yùn)輸車是一種自帶動(dòng)力、靜液壓驅(qū)動(dòng)、液壓懸掛升降、可實(shí)現(xiàn)模塊式組合并車的重型運(yùn)輸設(shè)備，在鋼廠、港口、大型鋼箱梁制造基地等領(lǐng)域中，廣泛應(yīng)用于大型鋼箱梁節(jié)段的場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸[1]，圖1為6軸模塊運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)圖。模塊運(yùn)輸車的工作過程可描述為：通過輪組上的升降系統(tǒng)降低運(yùn)輸車自身高度后，自行駛?cè)氪\(yùn)載貨物下方，然后通過升降系統(tǒng)升高車架頂升起貨物，最后利用輪組的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將貨物轉(zhuǎn)運(yùn)到任意指定的地方，整個(gè)過程無需其它起吊設(shè)備輔助。動(dòng)力單元的作用是為模塊車提供走行、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力。

模塊運(yùn)輸車動(dòng)力單元的設(shè)計(jì)，即通過液壓系統(tǒng)的計(jì)算在滿足工作要求的情況下，對(duì)動(dòng)力單元較小空間內(nèi)的設(shè)計(jì)布置，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)總成的布置，并能保證動(dòng)力單元安裝架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、各機(jī)構(gòu)正常工作、液壓及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)散熱良好。如何設(shè)計(jì)動(dòng)力單元內(nèi)部各部件之間的相對(duì)位置，使各部件能完成其工作職能并便于安裝、更換、維護(hù)，是整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，模塊運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)大多屬于面向訂單的設(shè)計(jì)，根據(jù)施工需要要求動(dòng)力單元本身不帶走行輪組，對(duì)整體高度有嚴(yán)格的要求，為此，如何在有限的空間下設(shè)計(jì)出具有大功率輸出功能的動(dòng)力單元，使模塊運(yùn)輸車適應(yīng)更為嚴(yán)格的工況，已成為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)取得成功的關(guān)鍵[2-3]。本文以某型號(hào)模塊運(yùn)輸車動(dòng)力單元為研究對(duì)象，在對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合整車的參數(shù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過有限元計(jì)算進(jìn)行分析及優(yōu)化，快速有效地得到動(dòng)力單元結(jié)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)果。

1 動(dòng)力單元的總體設(shè)計(jì)

模塊車動(dòng)力單元在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端裝有分動(dòng)箱，由分動(dòng)箱分別驅(qū)動(dòng)液壓走行馬達(dá)及均衡、轉(zhuǎn)向馬達(dá)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)。動(dòng)力單元主體采用框架式結(jié)構(gòu)，側(cè)面及頂面多處使用柵格板封面，以加強(qiáng)通風(fēng)散熱效果，框架與車體之間采用上部調(diào)節(jié)油缸連接、下部鉸軸連接的連接方式，可通過收縮調(diào)節(jié)油缸抬起動(dòng)力單元前端，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要形成0°～10°的仰角，以提高整車接近角和離地角適應(yīng)行駛道路的縱向坡度。

設(shè)計(jì)時(shí)，將客戶提出的工作條件以及工作環(huán)境等為已知條件，通過分析模塊車的工作參數(shù)及類型，建立適合的動(dòng)力單元初步模型。模塊運(yùn)輸車依據(jù)客戶需求及使用條件，對(duì)整車尺寸提出了長(zhǎng)寬高的外形要求，對(duì)模塊車動(dòng)力單元也由整車條件提出其外形要求，其中對(duì)高度要求最高，動(dòng)力單元整體高度需小于850mm，外形尺寸為3700×3000×850mm。

2 動(dòng)力單元的組成

動(dòng)力單元的主要由動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)三大部分組成，其中動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、分動(dòng)箱、空氣濾清器、進(jìn)氣散熱器、中間冷卻器、消音器、蓄電池、燃油箱組成；壓系統(tǒng)由液壓油冷卻器、液壓泵、液壓油箱、調(diào)節(jié)油缸組成；電氣系統(tǒng)由各電氣元件、控制器集成于兩個(gè)電氣控制柜內(nèi)。對(duì)動(dòng)力單元內(nèi)的組成部分進(jìn)行布置，見圖2。

3 動(dòng)力單元的設(shè)計(jì)過程

3.1 液壓及動(dòng)力系統(tǒng)計(jì)算及發(fā)動(dòng)機(jī)選型

依據(jù)液壓系統(tǒng)的計(jì)算，見表1：

根據(jù)表1中液壓系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)參考各發(fā)動(dòng)機(jī)廠家產(chǎn)品庫中已有的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，選擇了滿足動(dòng)力單元尺寸需求特別是高度需求的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，為德國(guó)MAN公司的MU6876型臥式柴油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)功率參數(shù)為375kw/2100r。

3.2 安裝架設(shè)計(jì)及各部件的布置

根據(jù)安裝架及發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝方式采用懸掛式，發(fā)動(dòng)機(jī)三點(diǎn)支撐，其中一點(diǎn)在風(fēng)扇端支撐，另外兩點(diǎn)通過分動(dòng)箱兩個(gè)支腿支撐，而分動(dòng)箱與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼連接。液壓油泵通過分動(dòng)箱的聯(lián)軸器與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪連接，以用于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。

通過布置發(fā)動(dòng)機(jī)、分動(dòng)箱、空氣濾清器、進(jìn)氣散熱器、中間冷卻器、消音器、蓄電池、燃油箱、液壓油冷卻器、液壓泵、液壓油箱、調(diào)節(jié)油缸及兩個(gè)電氣控制柜等部件初步完成安裝架的設(shè)計(jì)，安裝架由各型號(hào)矩形管焊接而成。

3.3 各部件的調(diào)整及安裝架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化

通過動(dòng)力單元內(nèi)各部件在安裝架內(nèi)的布置情況進(jìn)行三維建模，對(duì)各部分之間有相互干涉、影響使用、不便于維護(hù)的部件位置進(jìn)行調(diào)整，其中特別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整及試驗(yàn)，使各部件能在安裝架內(nèi)發(fā)揮各自的職能。

各部件位置固定后，依據(jù)總體受力、各部件受力及動(dòng)力單元振動(dòng)情況，對(duì)安裝架進(jìn)行有限元分析，對(duì)于某些應(yīng)力集中的位置進(jìn)行了優(yōu)化和補(bǔ)強(qiáng)，從而保證了整個(gè)動(dòng)力單元的使用強(qiáng)度。優(yōu)化后的動(dòng)力單元安裝架的有限元分析結(jié)果如圖3。

4 結(jié)論

本文以某型號(hào)模塊運(yùn)輸車為例，分析了動(dòng)力單元結(jié)構(gòu)的的設(shè)計(jì)過程，該設(shè)計(jì)的成果受到客戶的廣泛好評(píng)，成品如圖4所示。

該模塊運(yùn)輸車的動(dòng)力單元得到了滿足所有約束條件的結(jié)構(gòu)參數(shù)值最優(yōu)組合，快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。整個(gè)動(dòng)力單元設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：（1）該動(dòng)力單元的設(shè)計(jì)在同功率輸出的模塊車中，結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)力單元高度達(dá)到了極限尺寸，有效的滿足了整車的應(yīng)用需求；（2）該動(dòng)力單元的設(shè)計(jì)具有模塊化的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)不同類型模塊車的互換。此外，該設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法適用于與動(dòng)力單元相似的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，對(duì)其它產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉楠，仲梁維.起重機(jī)車輪組的快速參數(shù)化設(shè)計(jì)研究[J].港工技術(shù)，2012，49（3）：15-18.

[2]張質(zhì)文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.

[3]阮日升.門式起重機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（1）：16-18.

[責(zé)任編輯：周娜]