楊一男，姚 強(qiáng)，耿冠杰，張 鑫，莊 重，李 怡

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；2.北京天順長(zhǎng)城液壓科技有限公司，北京 100083)

0 引言

農(nóng)田暗管排水控鹽技術(shù)利用人為埋入地下的孔管，排出土壤中多余水分與鹽漬，達(dá)到改善土壤理化性狀的目的。迄今，大量實(shí)踐應(yīng)用證明，該技術(shù)不僅可以改善土地質(zhì)量，保持地力，還可以增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，防止環(huán)境退化[1-4]。目前，開(kāi)溝鋪管是技術(shù)實(shí)施的主要方法，使用以開(kāi)溝鋪管機(jī)為核心的施工裝備，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田暗管系統(tǒng)的全機(jī)械化施工，是農(nóng)田暗管排水控鹽技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的根本出路。

開(kāi)溝鋪管機(jī)融合機(jī)、光、電、液等多學(xué)科技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集開(kāi)溝、鋪管、敷料和質(zhì)量控制為一體的集約化施工。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性是保證機(jī)器各項(xiàng)功能完美實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)整機(jī)性能與成熟度的重要指標(biāo)。但是，國(guó)內(nèi)外關(guān)于大型鋪管機(jī)研發(fā)的公開(kāi)資料很少，針對(duì)其關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究更為少見(jiàn)[5-9]。

為此，本文基于TC3050HT型大功率開(kāi)溝鋪管機(jī)，采用有限元方法，對(duì)機(jī)器的高程主控臂開(kāi)展靜力學(xué)和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，并以分析結(jié)果為依據(jù)，對(duì)高程主控臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，達(dá)到提高設(shè)計(jì)合理性的目的，以期能為今后同類機(jī)器高程主控臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)原理

TC3050HT型鋪管機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率310 kW，通常開(kāi)溝寬度220～280 mm，鋪管深度2.5 m，作業(yè)速度1 km/h左右，該機(jī)器作業(yè)時(shí)的狀態(tài)如圖1所示。

圖1 TC3050HT型開(kāi)溝鋪管機(jī)

該機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。其中，開(kāi)溝鋪管機(jī)的高程主控臂連接機(jī)架與開(kāi)溝臂，作業(yè)時(shí)在高程控制油缸的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)改變高程主控臂的角度，實(shí)現(xiàn)高程控制，此外高程控制臂上方還安裝有開(kāi)溝臂控制油缸。因此，高程主控臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中承載和傳力的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定整機(jī)運(yùn)行可靠性，質(zhì)量大小影響高程控制響應(yīng)速度。

1.支座(與機(jī)架相連) 2.高程主控臂 3.開(kāi)溝臂控制油缸 4.開(kāi)溝罩 5.液壓馬達(dá) 6.管箱臂 7.管箱 8.開(kāi)溝臂 9.高程控制油缸

高程主控臂(圖3)由方形管材框架和擋板構(gòu)成，在位置1與開(kāi)溝罩鉸接，在位置2與角度控制油缸鉸接，在位置3與支座鉸接，在位置4與高程控制油缸鉸接。

圖3 高程主控臂

2 高程主控臂有限元分析

為更接近高程主控臂工作的實(shí)際情況，完整反映其力學(xué)特性，對(duì)包含高程主控臂在內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治觥?/p>

2.1 靜力學(xué)分析

采用四面體網(wǎng)格劃分高程主控臂，網(wǎng)格質(zhì)量符合GB/T 33582—2017《機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則》推薦要求[10]。假設(shè)除高程主控臂外的結(jié)構(gòu)均為剛體。所有零件材料均為結(jié)構(gòu)鋼，密度7.85×103kg/m3，彈性模量210 MPa，泊松比0.3。

高程主控臂與周圍零部件均采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。油缸筒與各自活塞桿均采用滑動(dòng)副連接。角度控制油缸與高程控制油缸均為驅(qū)動(dòng)油缸，選擇驅(qū)動(dòng)位移作為變量，靜力學(xué)分析時(shí)，設(shè)置位移為零。

靜力學(xué)分析載荷邊界如圖4所示。使用mass21單元，等效液壓馬達(dá)的質(zhì)量；依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，在開(kāi)溝臂上施加水平方向26.8 kN的極限均布載荷；在管箱內(nèi)壁施加16.5 kN的均布載荷，模擬砂礫濾料的作用力；對(duì)模型整體施加豎直向下的重力加速度。

圖4 靜力學(xué)分析載荷邊界

靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。其中，高程主控臂框架的最大應(yīng)力44.67 MPa，結(jié)構(gòu)最大變形量1.26 mm?？蚣懿捎肣235方管材料，最大許用應(yīng)力235 MPa，所以抗失穩(wěn)系數(shù)>5。

圖5 靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果

2.2 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

為避免有限元算法振蕩導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)受力波動(dòng)，對(duì)角度控制油缸與高程控制油缸分別施加3個(gè)周期的位移驅(qū)動(dòng)，如圖6所示?？紤]3個(gè)周期對(duì)迭代收斂性的影響，初始載荷子步為75，最小載荷子步為60，最大載荷子步為750。載荷增量為每0.1 s增加2 mm位移。打開(kāi)大變形開(kāi)關(guān)。其他設(shè)置與靜力學(xué)模塊相同。為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，以算法穩(wěn)定的第3周期結(jié)果作為參考。

圖6 驅(qū)動(dòng)位移曲線

瞬態(tài)分析過(guò)程中應(yīng)力最大時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖如圖7所示，其中連接橫梁的最大等效應(yīng)力50 MPa，抗失穩(wěn)系數(shù)約為5。

圖7 瞬態(tài)分析等效應(yīng)力云圖

3 優(yōu)化分析

通過(guò)靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析可知，高程主控臂的結(jié)構(gòu)抗失穩(wěn)系數(shù)約為5，結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于沒(méi)有特殊要求的結(jié)構(gòu)件，在兼顧合理與經(jīng)濟(jì)性的前提下，結(jié)構(gòu)抗失穩(wěn)系數(shù)合理范圍為2.5～3.0，所以該結(jié)構(gòu)存在優(yōu)化空間。并且考慮實(shí)際型材的二次加工會(huì)增加額外成本，本研究主要針對(duì)型材厚度進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 靜力學(xué)分析與瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)高程主控臂進(jìn)行精細(xì)化網(wǎng)格劃分，如圖8所示。其中，采用2D四邊形單元?jiǎng)澐职宀?、管材等薄壁件，主體結(jié)構(gòu)各部分采用共節(jié)點(diǎn)的連接方式，采用剛性單元RB2模擬連接位置與控制臂主體間的焊點(diǎn)。通過(guò)靜力學(xué)方法進(jìn)行求解，載荷工況如表1所示。其中，工況1載荷與前述靜力學(xué)分析中的載荷等效，是高程調(diào)節(jié)油缸沒(méi)有位移輸出時(shí)的極限工況；工況2和3是在工況1的基礎(chǔ)上，高程調(diào)節(jié)油缸輸出位移，但發(fā)生結(jié)構(gòu)鎖死，導(dǎo)致上下油缸無(wú)法推動(dòng)的工況，其中油缸的極限推力為60 kN。

圖8 高程主控臂網(wǎng)格劃分

表1 載荷工況

3.2 工作執(zhí)行裝置的尺寸優(yōu)化分析

優(yōu)化變量為高程主控臂的縱梁與橫梁的壁厚，初始壁厚(圖9)分別為12和10 mm。

圖9 高程主控臂框架

優(yōu)化過(guò)程中的響應(yīng)包括體積響應(yīng)、應(yīng)力響應(yīng)和位移響應(yīng)。約束條件為應(yīng)力約束和變形約束，即抗失穩(wěn)系數(shù)為3，各工況的應(yīng)力上限為80 MPa，變形不超過(guò)原結(jié)構(gòu)變形的1.5倍(表2)。優(yōu)化目標(biāo)為最小化體積。

表2 約束條件

設(shè)計(jì)變量和位移響應(yīng)的迭代曲線分別如圖10～11所示，經(jīng)過(guò)3次迭代計(jì)算，得到厚度優(yōu)化結(jié)果和約束條件下的變形結(jié)果。

圖10 設(shè)計(jì)變量迭代曲線

圖11 最大位移迭代曲線

高程主控臂優(yōu)化后網(wǎng)格厚度如圖12所示，計(jì)算得到縱梁與橫梁壁厚分別為8.76和8.22 mm，均向上圓整，實(shí)際選取縱梁與橫梁的壁厚為9 mm?？v梁與橫梁的優(yōu)化前后受力分析結(jié)果對(duì)比如表3～4所示。

圖12 高程主控臂優(yōu)化后網(wǎng)格厚度

由表3～4可知，由于管材壁厚減小，優(yōu)化后各工況下的最大應(yīng)力和最大位移均有所增長(zhǎng)，但結(jié)構(gòu)抗失穩(wěn)系數(shù)在2.5～3.0的合理范圍內(nèi)，因此優(yōu)化后的高程主控臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

表3 縱梁優(yōu)化效果

表4 橫梁優(yōu)化效果

4 結(jié)論

針對(duì)開(kāi)溝鋪管機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，開(kāi)展基于有限單元法的靜力學(xué)與瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈戏治?。結(jié)果表明，高程主控臂強(qiáng)度抗失穩(wěn)系數(shù)高于許用抗失穩(wěn)系數(shù)，剛性變形量處于微變形階段，屬于材料的線性變形區(qū)。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于實(shí)際工況的使用需求，滿足結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的前置條件。

基于最優(yōu)化準(zhǔn)則，在保證高程主控臂可靠性的前提下，通過(guò)將單元厚度離散化迭代，并采用逐步逼近的算法，得到框架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)厚度9 mm。與原結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)單元厚度減小，力學(xué)性能和剛性雖略有降低，但抗失穩(wěn)系數(shù)仍滿足要求。因此，優(yōu)化后的高程主控臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

研究?jī)?nèi)容能夠?yàn)榻窈笸悪C(jī)器高程主控臂的設(shè)計(jì)提供參考，研究方法為開(kāi)溝鋪管機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)提供了一種技術(shù)途徑。