趙 靜，張 奕，陳 磊

(1.蚌埠學(xué)院 機械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030；2.秦皇島煙草機械有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066318)

路緣石滑模機的車架建模及靜態(tài)分析

趙 靜1，張 奕2，陳 磊2

(1.蚌埠學(xué)院 機械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030；2.秦皇島煙草機械有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066318)

針對國外某種技術(shù)成熟的路緣石滑模機，運用Solidworks軟件進行車架建模及其在最不利工況下的靜態(tài)分析，得到了應(yīng)力分布圖、變形分布圖及安全系數(shù)分布圖。從結(jié)果可知，車架的結(jié)構(gòu)滿足剛強度，符合設(shè)計的要求，為路緣石滑模機車架的自主設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

路緣石滑模機；車架；建模；應(yīng)力分布；變形分布；安全系數(shù)分布

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，公路路緣石施工質(zhì)量、效率和機械化程度的要求也越來越高。如何保證路緣石具有高效成型、施工技術(shù)簡單、剛度強度高、表面光滑等優(yōu)點，國內(nèi)學(xué)者多對路緣石滑模的施工技術(shù)進行研究，取得了一定的成果，但對施工設(shè)備的研究存在不足，而國外對路緣石滑模機的設(shè)計和制造技術(shù)已經(jīng)基本成熟。路緣石滑模機車架是設(shè)備的主要承載部件，在施工過程中要具有滿足各種工況的能力，它的設(shè)計直接影響到設(shè)備壽命及攤鋪質(zhì)量。本文針對國外某種技術(shù)成熟的路緣石滑模機，進行車架的建模及其在最不利工況下的靜態(tài)分析，為路緣石滑模機車架的自主設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

1 整車介紹

PC200是由美國Curb Appeal 公司研發(fā)生產(chǎn)的一種多功能全自動的輪式路緣石滑模攤鋪機，它由成型密實裝置、車架、操縱控制系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)和行走裝置構(gòu)成[1]，如圖1所示。

圖1 機器外形

PC200的設(shè)計和制造技術(shù)已非常成熟，具有優(yōu)秀的攤鋪質(zhì)量，高效的攤鋪速度和緊湊的外觀車型，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，而國內(nèi)還無此類型路緣石滑模機的自主設(shè)計[2]。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 車架的建模

2.1 車架的構(gòu)成

路緣石滑模機的車架由車身框架和料斗起身機構(gòu)組成，用Solidwords軟件繪制如圖2、3所示。鋼材選用矩形冷彎空心型鋼(H100mm、B50mm、t5.0mm)和方形冷彎空心型鋼(B50mm、t5.0mm)，材料為普通碳素鋼[3]。

圖2 車身框架圖

圖3 料斗起身機構(gòu)

2.2 車架的幾何模型

采用自下向上的方式建模，首先對車身框架和料斗起身機構(gòu)獨立建模，再由料斗起身機構(gòu)的一側(cè)通過鉸接座安裝在車架上進行裝配，結(jié)果如圖4所示。

圖4 車架幾何模型

2.3 車架的力學(xué)模型

在SolidWorks嵌套的COSMOSWorks有限元分析模塊中[4]，給幾何模型賦予材料屬性并施加載荷約束，主要載荷有：發(fā)動機200kg，柴油機郵箱滿油100kg，泵站油箱滿油100kg，及料斗滿載1000kg，車架及液壓缸共重610kg，閥塊、軟軸等小部件的重量忽略不計。分析車架在最不利工況(起升機構(gòu)到達最大高度，料斗滿載并轉(zhuǎn)彎作業(yè))下的載荷，加載作用在支撐板表面，如圖5所示。

圖5 車架的力學(xué)模型

2.4 車架的有限元模型

在COSMOSWorks有限元分析模塊中，車架的網(wǎng)格劃分采用的是二階實體四面體單元，單元大小16.2611mm，公差0.81305mm，網(wǎng)格劃分較細[5]。車架的有限元模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3 車架的靜態(tài)分析

3.1 應(yīng)力分布

車架的應(yīng)力分布如圖7所示。由圖可知車架大部分區(qū)域的應(yīng)力水平偏低，最大應(yīng)力點在下圖箭頭標(biāo)示處(料斗機構(gòu)前側(cè)桿的內(nèi)板上部)為147Mpa，小于車架材料普通碳素鋼的屈服極限220Mpa。

圖7 應(yīng)力分布

3.2 變形分布

車架的變形分布如圖8所示，可知車架變形較大的區(qū)域主要在料斗機構(gòu)處，最大變形在下圖箭頭標(biāo)示處(料斗機構(gòu)前側(cè)桿底部)為1.57mm，屬于小變形范圍。

圖8 變形分布

3.3 安全系數(shù)分布

車架的安全系數(shù)分布如圖9所示。由圖可知車架有少數(shù)區(qū)域安全性較低，最小安全系數(shù)點在下圖箭頭標(biāo)示處(料斗機構(gòu)前側(cè)桿的內(nèi)板上部)為1.50，大于安全系數(shù)的極限值1，屬于安全范圍內(nèi)。

圖9 安全系數(shù)分布

4 結(jié)論

由靜態(tài)分析結(jié)果可知，即使在最不利工況下，車架的應(yīng)力、變形和安全系數(shù)均在允許范圍內(nèi)，說明機架的結(jié)構(gòu)滿足剛強度，符合設(shè)計的要求，可按照此結(jié)構(gòu)進行生產(chǎn)加工。根據(jù)靜態(tài)分析輸出結(jié)果也可對機架結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)薄弱處進行加強設(shè)計(如增大截面、更換高性能材料、增加加強肋)，結(jié)構(gòu)安全處進行削弱設(shè)計(如減小截面、更換低性能材料)，但勢必會增加加工難度和制造成本。

[1] MBW Inc. Concrete curb and gutter slipform payer operating instructions C100 C101 CG200[M].New York: Prentice-Hall Inc,2009.

[2] CURB APPEAL USA. Operations manual pro curb series PC400/PC600 slip form pavers[M].New York: Prentice-Hall Inc,2009.

[3] 單輝祖.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1999.

[4] 徐海軍,張武軍.SolidWorks 2008中文版三維建模實例精解[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[5] 張奕.PC200路緣石滑模機關(guān)鍵技術(shù)研究[D].秦皇島：燕山大學(xué),2010.

(責(zé)任編輯：孫文彬)

Frame Modeling and Static Analysis of the Slipforming Curb Machines

ZHAO Jing1，ZHANG Yi2，CHEN Lei2

(1.Mechanical and Electronic Engineering Department, Bengbu University, Bengbu Anhui 233030, China;2. Qinhuangdao Tobacco Machinery Co., Ltd., Qinhuangdao Hebei 066318, China)

The paper aims at a certain foreign slipforming curb machine with mature technology. A modeling frame and its static analysis under the most unfavorable conditions were conducted via Solidworks software to finally obtain the distribution patterns of stress, deformation and safety coefficiency. The results showed that the frame structure met rigidity and intensity, and conformed to requirements of the design. Such results provided certain theoretical basis for the impendent design of slipforming curb machine frame.

slipforming curb machine; frame; modeling; stress distribution; deformation distribution; safety coefficient distribution

2015-09-12

蚌埠學(xué)院自然科學(xué)項目(2013ZR02zd)

趙靜(1986-)，女，安徽蚌埠人，助教，主要從事機械設(shè)計及理論研究。

U415.5

A

1009-7961(2015)05-0012-03