攤鋪機輸料機構建模及有限元分析

段成燕1，李科鋒2，陳樹海1

(1.黑龍江工程學院機電工程學院，哈爾濱150050；2.哈爾濱第一機械集團有限公司， 哈爾濱150081)

摘要：瀝青路面施工質(zhì)量的好壞在很大程度上取決于攤鋪機工作性能。輸料系統(tǒng)各主要零部件的強度和匹配關系直接影響到施工質(zhì)量。本文針對瀝青混凝土攤鋪機的輸料機構進行三維實體建模、運動仿真，并對主要零部件進行有限元分析。為輸料機構的優(yōu)化提供理論基礎，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，降低了產(chǎn)品研發(fā)成本。

關鍵詞：瀝青；攤鋪機；輸料機構；建模；有限元

收稿日期:2014-11-28

基金項目:黑龍江工程學院教研項目(20151230)

作者簡介:段成燕(1976-)，女，安徽渦陽人，副教授，碩士，主要從事機械設計制造及其自動化方面研究。

中圖分類號：TH132.45文獻標志碼：A

瀝青混合料攤鋪機是瀝青道路面層施工中廣泛使用的施工機械。滿足瀝青路面施工質(zhì)量的技術規(guī)范要求的前提下，提高其使用性能和經(jīng)濟性能是攤鋪機機構設計和優(yōu)化設計研究重點[1]。本課題對瀝青混合料攤鋪機輸料機構進行三維實體建模和運動仿真，對主要零部件進行有限元分析，生成應力云圖，為進一步優(yōu)化設計提供理論基礎。

1攤鋪機輸料機構

輸料機構是攤鋪的重要組成部分，完成混合料由料斗向布料器的輸送，安裝在料斗底部，由兩條鏈條驅(qū)動帶有刮板的傳動鏈，每組傳動鏈分別由液壓馬達驅(qū)動，通過中間的減速器裝置，滿足工作機的轉(zhuǎn)速和功率的要求[2]。輸料的總體結(jié)構如圖1所示。

1-聯(lián)軸器　2-主動鏈輪　3-驅(qū)動鏈　4- 輸送鏈輪　5-刮板輸送鏈 6-張緊輪　7-張緊拉桿　8-液壓馬達　9-減速器 圖1　輸料結(jié)構的結(jié)構示意圖

2三維實體建模

采用底層設計的方法，將每個已裝配好的組件和零部件根據(jù)設計零件配合要求，將生成的零件插入裝配體，生成三維實體模型[3]。通過固定約束面對齊、軸對齊、偏置、匹配等功能模塊，對輸料機構進行實體裝配；通過給元件加入各種組合約束功能模塊對零部件進行約束，使元件可以自由移動或旋轉(zhuǎn)進而完成對輸料機構的整體裝配。輸料機構的三維實體效果如圖2所示。

3輸料機構的運動仿真

通過Pro/E的運動仿真模塊，進行裝配的運動分析和仿真，應用槽運動和圓柱接頭實現(xiàn)輸料機構鏈條數(shù)量較多時的運動仿真。在裝配過程中設置輸料機構運動仿真的旋轉(zhuǎn)銷軸，每兩個鏈節(jié)都能實現(xiàn)運動功能。設置點的速度、運動軸速度、角速度、切向槽速度、利用速度條件評估模型對輸料機構運動速度設計。

依據(jù)理論設計的鏈輪轉(zhuǎn)速，設置輸送機構運動槽速度和運動軸速度，檢測其運動方向、速度特性、持續(xù)時間、幀數(shù)和最小間隔等運動參數(shù)[4]。為使仿真效果更接近實際輸料結(jié)構工作時的狀態(tài)，添加整體的其它機構和實際路面等現(xiàn)實素材，其仿真運動如圖3所示。

圖3　輸料機構工作狀態(tài)仿真圖

4主要零部件的有限元分析

對零部件進行有限元分析，通過離散數(shù)學原理將連續(xù)的模型劃分成有限單元，用四面實體單元劃分實體幾何體而用三角形殼單元劃分幾何面。依據(jù)輸料機構的總體裝配圖、傳動鏈節(jié)的零件圖和三維實體模型，鏈節(jié)是輸料機構的主要受力部件，忽略過渡圓角、 銷孔等對鏈節(jié)剛度影響較小的部位。對手指部分進行網(wǎng)格劃分和有限元分析，形成如圖4所示的網(wǎng)格圖、如圖5所示的應力云圖和如圖6所示的靜應力圖。

圖4　劃分網(wǎng)格圖

圖5　應力分布云圖

圖6　靜應力分析數(shù)據(jù)

通過靜應力分析可知，其最大應力遠遠小于材料的許用應力值，工作中手爪具有穩(wěn)定性和安全性，滿足理論計算的強度要求。

5結(jié)語

輸料機構是攤鋪機的主要工作部分之一，對其進行三維實體建模和運動仿真，進行運動干涉檢驗，縮短了產(chǎn)品的設計周期。傳動鏈的強度決定輸料結(jié)構的承載能力，對傳動的組成鏈節(jié)部件進行有限元分析，通過受力運動云圖和靜應力分析數(shù)據(jù)，對機構的進一步優(yōu)化設計提供了理論支持[5]。

參考文獻:

[1]李自光.公路施工機械[M].2版.北京：人民交通出版社,2011.

[2]張海波，王蘭，盧潔.攤鋪機刮板輸料系統(tǒng)設計要點[J].工程機械與維修,2013(12)：154-155.

[3]二代龍震工作室.Pro/Mechanism Wildfire5.0機構/運動分析[M].北京:清華大學出版社,2011.

[4]王飛.瀝青路面攤鋪機作業(yè)過程仿真及振動裝置研究[D]. 西安：長安大學,2013.

[5]劉體江.瀝青混凝土攤鋪機結(jié)構參數(shù)選用及對工程質(zhì)量影響探究[J].交通世界(建養(yǎng)機械)，2014(1)：54-55.

責任編輯：吳旭云

Modeling and Finite Element Analysis on Paver Transporting Mechanism

DUAN Chengyan1， LI Kefeng2， CHEN Shuhai1

(1.College of Electromechanical Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China；

2． Harbin First Machinery Group Co. LTD., Harbin 150081, China)

Abstract：Asphalt pavement construction quality depends largely on paver working performance. The strength and matching relation of main components in transporting system directly affect the construction quality. The paper makes a three-dimensional entity modeling and movement simulation on the transporting mechanism of asphalt concrete paver, and carries out finite element analysis on the main components, which provides theoretical basis for the optimization of transporting mechanism, shortens the product development cycle and reduces the costs of product development.

Keywords：asphalt; paver; transporting mechanism; modeling; finite element