干慧
(合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230012)
作為支撐氣室的主要零部件,氣室支架的性能需要跟隨重卡的發(fā)展要求進(jìn)行強化,但若盲目的對氣室支架進(jìn)行加厚加大設(shè)計,就會使得氣室支架變得笨重,不符合現(xiàn)如今的輕量化發(fā)展目標(biāo),使之失去市場競爭力,但若設(shè)計單薄,則會使得氣室支架因整體結(jié)構(gòu)強度不足而存在斷裂的可能,在此背景下,本文立足于亟需解決重卡氣室支架輕量化和高性能的平衡這一現(xiàn)狀,根據(jù)發(fā)明問題解決理論(TRIZ),結(jié)合實際的工況問題,采用建模、分析軟件,對重卡氣室支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,旨在獲得氣室支架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解。
為保障礦區(qū)重卡在惡劣路況下制動性能的可靠性,彈簧制動氣室的氣壓值由原先的0.8MPa提升至1MPa,其產(chǎn)生的推力大幅度增長,整車對氣室支架的強度有了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求,故有必要對現(xiàn)有的氣室支架進(jìn)行受力分析?,F(xiàn)以某公司的一款氣室支架為研究對象,采用Hyperworks有限元分析對其進(jìn)行受力分析,以確定該型號氣室支架的可優(yōu)化空間。
氣室支架的安裝示意圖如圖1所示,氣室支架主要用于連接氣室與橋殼總成,支撐安裝凸輪軸,配合調(diào)整臂完成制動作業(yè),因此合理的氣室支架結(jié)構(gòu)不僅能夠提高其自身的壽命,而且還能夠保障整車制動的平穩(wěn)性,但由于礦用重卡,運行的路面凹凸不平,需要頻繁的進(jìn)行啟動制停,在此過程中氣室支架會因受到?jīng)_擊載荷而存在斷裂的風(fēng)險,因此在對氣室支架展開輕量化設(shè)計時需充分考慮到其強度問題。
圖1 氣室支架的安裝示意圖
依據(jù)氣室支架的結(jié)構(gòu)尺寸,采用Inventor三維軟件構(gòu)建氣室支架的立體模型,如圖2所示:
圖2 氣室支架(優(yōu)化前)
氣室支架的材質(zhì)為QT400-10,材質(zhì)參數(shù)如下表1所示:
表1 QT400-10材質(zhì)的參數(shù)
當(dāng)重卡進(jìn)行制動時,彈簧制動氣室會產(chǎn)生一個推力作用于氣室支架上,此推力為氣室支架主要承受的作用力,其余受力情況可以忽略不計,氣室支架匹配的橋型使用的是30/24規(guī)格的氣室總成,如圖3所示,在1MPa的氣壓下,氣室總成輸出的推力數(shù)值為19000N。
圖3 行程-推桿力特性曲線圖
將氣室支架模型導(dǎo)入Hyperworks有限元分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,經(jīng)過網(wǎng)格劃分后,模型共產(chǎn)生了209475個節(jié)點和1036146個單元。對氣室支架的有限元模型進(jìn)行約束和加載,如圖4所示:
圖4 氣室支架受力分析圖
氣室支架的應(yīng)力分布圖如圖5所示,其最大應(yīng)力值260.9MPa主要位于氣室支架支撐面板過渡區(qū),基本滿足重卡的使用需求,存在結(jié)構(gòu)設(shè)計過剩的現(xiàn)象,需對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
圖5 氣室支架應(yīng)力分布圖(優(yōu)化前)
TRIZ理論是將工程問題轉(zhuǎn)化為固定的問題形式,然后根據(jù)TRIZ問題模型選擇相應(yīng)的求解工具,從而得到問題的解,它解決問題的流程如圖6所示:
圖6 TRIZ解決問題的流程圖
TRIZ理論總體上共有四個可解決問題的模型,即物理矛盾性問題的模型、技術(shù)矛盾性問題的模型、物場矛盾性問題的模型和知識力使用問題的模型。
物理矛盾問題是指對同一個參數(shù)的兩種不同要求,針對這類問題,它的主要解決途徑之一就是采用分離原理,即通過時間的分離、條件的分離、整體和組成部分之間的分離以及空間的分離等方式來解決具體問題。
技術(shù)矛盾問題在處理具體問題時會將其轉(zhuǎn)化為技術(shù)矛盾問題模型后,模型中包含著兩個相互矛盾和制約的參數(shù),采用矛盾矩陣的方式找到相應(yīng)的發(fā)明原理,以此提供解決思路。
物質(zhì)場問題是兩種物質(zhì)的一個場的結(jié)構(gòu)信息是有問題的。針對有待解決的實際問題,首先建立問題的初始物質(zhì)場模型,然后根據(jù)具體問題,在標(biāo)準(zhǔn)解系數(shù)中找到具體解決方案。
知識利用問題就是要靠尋找一種科學(xué)的方式以及原理來實現(xiàn)技術(shù)體系功能。
本項目采用TRIZ理論中的技術(shù)矛盾問題模型來解決氣室支架輕量化的設(shè)計問題。依據(jù)氣室支架強度/可靠性和重量矛盾的技術(shù)參數(shù),在阿奇舒勒矛盾矩陣中查閱發(fā)明原理,得到了以下幾個改進(jìn)方案:
在氣室支架受力較小的部位進(jìn)行開槽;
在氣室支架應(yīng)力集中的部位增加加強筋結(jié)構(gòu);
改進(jìn)連接圓弧尺寸,降低應(yīng)力值;
將氣室支架的材質(zhì)由QT400-10改為QT450-10。根據(jù)上述改進(jìn)方案,對氣室支架的結(jié)構(gòu)以及材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后的模型如圖7所示。
圖7 氣室支架(優(yōu)化后)
根據(jù)氣室支架的應(yīng)力分布圖顯示,如圖8所示。優(yōu)化后的氣室支架的最大應(yīng)力值為127.9MPa,安全系數(shù)3.52,相較于改進(jìn)前的氣室支架其應(yīng)力降低了51%,氣室支架的性能得到了明顯的提升,且氣室支架的重量也由原來的10.052kg降低到了8.098kg,實現(xiàn)了氣室支架的輕量化目標(biāo)。
圖8 氣室支架應(yīng)力分布圖(優(yōu)化后)
本文以平衡氣室支架重量和質(zhì)量為切入點,對氣室支架展開了優(yōu)化設(shè)計并得到了以下的結(jié)論:
(1)通過有限元分析,明確了現(xiàn)有的氣室支架剛度、強度基本能夠滿足重卡氣壓值提升所需的使用要求,存在可優(yōu)化空間。
(2)根據(jù)TRIZ技術(shù)矛盾問題模型,確定了氣室支架的優(yōu)化方案,并通過了有限元分析的驗證,優(yōu)化后的氣室支架相較于改進(jìn)前性能提升了51%,重量降低了19.5%。