（机械制造及其自动化专业论文）工程机械轮辋的计算机辅助设计与结构分析优化.pdf

摘要 摘要 目前产品可靠性、安全性、市场反映敏捷性、资源能源指标、环境指标等成 为企业重要的竞争指标，而我国工程机械轮辋与国外同类产品甚至国内其他行业 产品都有很大差距。针对国内工程机械轮辋产品安全性、可靠性、市场反映敏捷 性和系统理论支持少的现状，本文主要针对轮辋体受载情况及强度情况进行了分 析研究，对轮辋体设计的c a d 系统进行了研究，并在此基础上对轮辋进行了结构 优化，对轮辋体的疲劳分析和寿命预估进行了分析研究，并在合作单位山东工程 机械钢圈厂进行了推广应用。 首先对装载机的不同工况进行分析，建立了不同工况下的轮辋受载力学模型， 研究了轮辋体受载的具体理论依据；并对不同工况下轮辋体的载荷分布情况进行 了计算分析，确定了不同工况下的负荷情况及重点校核对象。 在此基础上分析了轮辋体受载情况和边界条件，计算轮辋体的具体载荷并确 定了轮辋体的边界条件；通过a b a q u s 对轮辋体的工作情况进行分析，得出了各 种工况下的应力和位移云图，找出了轮辋体结构的薄弱点和强度储备过强的部 分，并通过实验对仿真结果进行了验证。 建立了轮辋的三维模型，并通过分析轮辋各部分的具体尺寸关系，开发出轮 辋设计的计算机辅助系统。基于s o l i de d g e 平台利用v b 开发的轮辋设计的计算 机辅助系统依据厂方要求开发，具有很强实用性，此系统可以对已有类型零件进 行三维参数化设计，并且具有很强的扩展性，能添加新的其它类型零件的设计系 统。此系统经厂家使用反馈，可以大大减轻设计人员的负担，缩短新产品开发时 间，提高生产效率，效果良好。 在前面研究基础上，利用建模准确性、轮辋计算机辅助系统建模的快捷性和 有限元仿真有效性，对轮辋体进行了结构优化，并对厂家的产品进行了仿真分析。 对轮辋体在轮辋厚度和轮辐的位置两方面进行了不同尺寸规格的有限元仿真，并 通过分析找出了尺寸的最合理位置，对轮辋体结构进行了优化，使轮辋体的材料 储备强度得到了有效利用；对山东省工程机械轮辋厂的许多产品进行了应力应变 及位移的分析，成功计算出轮辋在工作过程的安全系数，为轮辋的强度计算提供 了理论依据。 结合传统疲劳失效分析方法和m i n e r 疲劳损伤线性积累理论，提出了一种分 i x x 山东大学硕十学位论文 曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼鼍皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼i i 皇曼鼍皇曼曼曼皇皇曼曼曼! 曼曼鼍曼曼量曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼 析轮辋体疲劳强度和寿命预估的新方法。并利用此方法计算出轮辋体的条件疲劳 极限，并最终基于m i n e r 疲劳损伤线性积累理论对轮辋体在不同工况下进行了疲 劳强度的检验和寿命预估。 本课题为山东大学可持续制造中心与山东工程机械钢圈厂合作的校企合作 项目。 关键词：工程机械轮辋参数化设计结构分析优化疲劳 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y sp r o d u c tr e l i a b i l i t y ，s e c u r i t y ，r e s p o n s ea g i l i t yo fm a r k e t ，i n d e xo f r e s o u r c ea n de n v i r o n m e n th a sb e c o m ev e r yi m p o r t a n tc o m p e t i t i o ni n d e xf o re n t e r p r i s e c o n s t r u c t i o nm a c h i n er i mi n0 1 1 1 7c o u n t r yh a sp r o d i g i o u sg a pt oa b r o a da n do t h e r d o m e s t i cp r o d u c t s b a s e do nd o m e s t i cc o n s t r u c t i o nm a c h i n er i ms e c u r i t y ，r e l i a b i l i t y ， r e s p o n s ea g i l i t yo fm a r k e tl a c k i n gs y s t e mt h e o r ys u p p o r t i n g , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e s t h er i ms t a n d i n gu n d e rl o a da n ds t r e n g t hc o n d i t i o n t h er i md e s i g n i n gc a ds y s t e mi s r e s e a r c h e d f u r t h e rm o r e ，t h er i ms t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n , a n a l y s i so ff a t i g u ea n dl i f e f o r e c a s ta r es t u d i e d ，a n da p p l i e di ns h a n d o n gc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ys t e e lr i m p l a n t f i r s t , i ta n a l y s e st h em e c h a n i c a ll o a d e rf o rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sa n d e s t a b l i s h e ss t a n d i n gu n d e rl o a dm e c h a n i c sm o d e lf o rr i m 、 ，i md i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s s p e c i f i ct h e o r yf o u n d a t i o nf o rm e c h a n i c a ll o a d e ru n d e rl o a di ss t u d i e d t h el o a dd i s t r i b u t i o nu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n si sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h el o a dc o n d i t i o na n dm a j o rc h e c k i n gp o s i t i o nu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s a r ed e t e r m i n e d b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h , t h el o a d i n gc o n d i t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o no f r i ma r ea n a l y z e d s p e c i f i cl o a di sc a l c u l a t e da n db o u n d a r yc o n d i t i o ni sd e t e r m i n e d ， a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o na n a l y s i so fw o r k i n gc o n d i t i o no fr i mb ya b a q u s ，t h e s t r e s sn e p h o g r a ma n dp o s i t i o nn e p h o g r a mo fd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o ni so b t a i n e d t h ew e a kp o i n ta n do v e rs t r e n g t hp o i n to fr i ma l ef o u n do u t t h es i m u l a t i o nr e s u l t s a r ec e r t i f i c a t e db ye x p e r i m e n t t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e li se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fs p e c i f i c d i m e n s i o nr e l a t i o n so fr i m ，t h ec o m p u t e ra i d i n gs y s t e mf o rr i md e s i g n i n gi sd e v e l o p e d t h i ss y s t e mi sb a s e do ns o l i de d g ep l a t f o r ma n dv bl a n g u a g e i th a ss t r o n g p r a c t i c a b i l i t y a n da u g m e n t s a b i l i t y t h i ss y s t e m c a nd ot h r e e d i m e n s i o n a l p a r a r n e t e r i z a t i o nd e s i g n i n gf o re x i s t i n gp a r t sa n dc a na p p e n do t h e rd e s i g n i n gs y s t e m f o rn e w p a r t s t h i ss y s t e mh a su s e db ye n t e r p r i s e i tc a l ll i g h t e nt h e b u r d e no fd e s i g n e r , s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tt i m eo fn e w p r o d u c ta n di n c r e a s ew o r k i n ge f f i c i e n c y b a s e do i lt h ea b o v er e s e a r c h , u t i l i z i n gt h ee x a c tm o d e l ，n i m b l ec o m p u t e ra i d s y s t e ma n de f f e c t i v ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h es t r u c t u r eo ft i mi so p t i m i z e d t h e p r o d u c t so ff a c t o r yh a v eb e e ns i m u l a t e d t h ed e p t ho fr i ma n dt h ed i s p l a c e m e n to f x i i l j 东大学硕士学位论文 r i ma r es i m u l a t e dw i t hd i f f e r e n td i m e n s i o n s a c c o r dt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e m o s ta p p r o p r i a t ed i s p l a c e m e n ti sd e t e r m i n e da n d o p t i m i z e d i ti m p r o v e st h er e s e r v e s t r e n g t ho fm a t e r i a li nr i m b ya n a l y z i n gt h es t r e s s ，s t r a i na n dd i s p l a c e m e n to fp r o d u c t o fs h a n d o n gc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ys t e e lr i mp l a n t ，t h ea s s u r a n c ec o e f f i c i e n to f r i m ) w o r k i n gp r o c e s sh a sb e e nc a l c u l a t e ds u c c e s s f u l l y t h i sp r o v i d e st h e o r e t i c a l e v i d e n c ef o rs t r e n g t hc a l c u l a t i o no fr i m c o m b i n i n ga n a l y s i sm e t h o do fc o n v e n t i o n a lf a t i g u ef a i l u r ea n dt h e o r yo fm i n e r f a t i g u ed a m a g ea c c u m u l a t i o n , an e wm e t h o do fa n a l y z i n gf a t i g u es t r e n g t ha n dl i f e f o r e c a s to fr i mi se x t r a c t i o n b a s e do nt h i sm e t h o d , t h ec o n d i t i o n a lf a t i g u el i m i to fr i m i sc a l c u l a t e d t h ec h e c ko ff a t i g u es t r e n g t ha n dt h ef o r e c a s to fl i f eo fd i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n sa r ed o n eb yt h et h e o r yo fm i n e rf a t i g u ed a m a g ea c c u m u l a t i o n t h i ss u b j e c ti sc o o p e r a t e db ys h a n d o n gu n i v e r s i t ys u s t a i n a b l em a n u f a c t u r e c e n t e ra n ds h a n d o n gc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ys t e e lr i mp l a n t k e y w o r d ：c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , s t e e lr i m ，p a r a m e t r i z a t i o nd e s i g n , s t r u c t u r e a n a l y s i so p t i m i z a t i o n ，f a t i g u er e s i s t a n c e x i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垄盘三互 日期：超! 盘：玉! 三 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：耋丧询导师签名 峰泌。 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 工程机械在国民中的地位 世界上装载机发展已经历6 0 多年，我国装载机制造也有4 0 多年的历史。我 国装载机始于1 9 6 0 年末，发展至今经历了3 个发展阶段，即6 0 年代仿制摸索阶 段；7 0 年代自力更生研制阶段；8 0 年代至9 0 年代技术引进、合资合作发展阶段。 经过4 0 多年的发展，我国工程机械行业已形成了具有相当规模和较强生产能力 的完整体系。目前有近2 0 0 0 家企业，其中有1 7 个集团公司，1 5 个上市公司， 合资、独资企业近2 0 0 家；可以生产挖掘机、铲土运输机械、工程起重机械、机 动工业车辆、混凝土机械、路面机械和桩工机械等1 8 大类，近5 0 0 0 种规格型号 的产品。工程机械行业的规模及销售额在机械工业中次于电器、汽车、石化通用 及农机，排第五位，工程机械作为重要的施工生产装备，在国民经济发展和国防 建设中已具有重要地位【1 1 。 近5 年来，随着国民经济的高速发展，工程机械发展迅猛。2 0 0 5 年1 至1 1 月中国装载机同比增长1 8 ，全年完成的销量在l o 5 万台左右，增幅在1 0 以 上1 2 】，工程机械行业生产以4 7 4 9 的增长速度开局，“十一五 开局，新项目开 工以及出口对工程机械行业的拉动作用更为明显【3 】。从2 0 0 6 年初起装载机的需 求量就一直攀升，到3 月份国内工程开工高潮时达1 6 2 7 9 台之后呈缓慢下降趋势 【4 l 。 图1 12 0 0 6 年末2 0 0 7 年工程机械全行业平均增长率预测 工程机械行业从其作用及数量上可以看出，其发展对国民经济的推动作用是 山东大学硕士学位论文 显著的。 1 1 2 轮式装载机发展现状 在经历了5 0 - - 6 0 年的发展后，到2 0 世纪9 0 年代中末期国外轮式装载机技术 已经达到相当高的水平【5 1 。基于液压技术、微电子技术和信息技术的各种职能系 统已经广泛的应用于装载机的设计、计算操作控制、检测监控、生产经营和维修 服务各个方面，是国外轮式装载机在原来的基础上更加“精制 ，其自动化程度 也得以提高，从而进一步提高了生产效率，改善了司机的作业环境、提高了作业 舒适性，降低了噪声、振动和排污量，保护了自然环境，最大限度地简化维修、 降低作业成本，使其性能、安全性、可靠性、使用寿命和操作性能都达到了很高 的水平。 ( 1 ) 产品形成系列，更新速度加快并朝大型化和小型化发展 产品的系列化、成套化、多品种化成为主流。为了适应市场需求，各厂商加 快了产品的更新换代，加快了推出多功能，全面兼顾动力性、机动性与灵活性的 新产品，以满足不同用户的需要。此外，装载机的大小规格向两头延伸，以适应 更大的工作环境需求； ( 2 ) 采用新结构、新技术，产品性能日趋完善 近年开发的产品普遍采用了高性能发动机和自动换档变速器、大流量负荷传 感液压系统、前后防滑差速器、多片湿式盘式制动器、行走颠簸减震等先进技术， 并综合液压、微电子和信息技术制造，应用了很多智能系统。工作装置连杆机构 推陈出新，各种自动功能更趋成熟完善。 ( 3 ) 发展多种工作装置，满足不同市场需求 所有厂家的产品都强调一机多用，配有快换装置及多种附件，可以换装几种 到几十种甚至上百种不同的作业装置，如v m e 集团生产的v o l v o b m 轮式装载 机可更换多达1 0 0 余种的工作装置，如各种用途的铲斗、装卸叉、吊具、清扫装 置、集草叉、除雪铲、路面铣刨器具、压实器具、破碎器具、地表钻等，以便进 行装载、铲平、搬运、挖掘、清理等作业。各种工作装置的更换非常简便，司机 在驾驶室内只需l 2 m i n 就可以轻而易举地完成。 ( 4 ) 易于维修、保养，注重环保 所有产品都充分考虑可维护、维修性，各关键零部件和维护点都预留了足够 第1 章绪论 的通路，保养点集中并可在地面进行，普遍采用自动集中润滑等等。 综合上述现状和未来市场需求，轮式装载机在未来将朝下列方向发展： ( 1 ) 系列化，特大型化 系列化是工程机械发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系列化 进程，形成了从微型到特大型不同规格的产品。与此同时，产品更新换代的周期 明显缩短。 ( 2 ) 多用途，微型化 为了全方位地满足不同用户的需求，国外轮式装载机在朝着系列化、特大型 化发展的同时，已进入多用途、微型化发展阶段。 ( 3 ) 进一步普及应用液压技术，广泛应用微电子、信息技术 ( 4 ) 不断创新结构设计 ( 5 ) 更加重视安全性、舒适性和可靠性 ( 6 ) 向节能与环保方向发展 1 1 3 工程机械面临的机遇和挑战 随着我国加入w t o 组织和西部大开发的进行以及水电、港口、公路等基础 设施建设项目的增多，国外先进工程机械先后涌入中国市场，我国工程机械设施 面临着前所未有的机遇和挑战。这也意味着我国工程机械行业对技术人才的技术 素质提出了更高的要求。 近两年工程机械行业扩产的企业项目已经逐渐进入投产期，估计行业产能大 市场需求的压力将进一步扩大，因此估计未来底端产品仍将面临降价的巨大威 胁。这几年，国际工程机械“巨头 纷纷抢滩中国市场，国内市场国际化趋明显， 国内同行却仍在产品同质化以及低水平价格战竞争中不能自拔。无论是十年发展 起来的国有企业，还是新兴的民营企业，如果不加快自主创新、提高心竞争力， 民族品牌的光荣与梦想将会面临严峻的挑战 6 1 。 目前，我国装载机行业中3 7 家主要企业总产能已达1 4 万台以上，其余几十 家企业平均每家2 0 0 - 3 0 0 台左右，加上后进入者如福田重工等，2 0 0 6 年国内装 载机总产量超过2 0 万台，市场需求仅为9 万 - 1 0 万台，产能严重过剩，市场竞 争更加激烈i 刀。这就意味着产品技术含量、产品质量水平和售后服务体系的提高 与完善、出口市场的开拓将是市场竞争的关键。 3 山东大学硕十学位论文 1 1 4 轮辋优化的重要性 目前我国工程机械行业正处于稳步发展的上升时期，但在性能、外观、操作 舒适性、产品内在质量尤其是可靠性方面同国外工程机械相比要远比我国汽车行 业同国外汽车行业相比的差距大得多。我国工程机械正处于发展的初级阶段，其 设计理论还很不完善，设计手段比较落后。目前，国内设计轮辋结构的方法主要 采取类比试凑法、解析法、优化设计法等【8 】，在可靠度分配中集中在优化分配【9 。1 1 】， 模糊分配 1 2 , 1 3 j ，冗余分配【1 知1 8 】等。 目前国内生产轮辋的厂家很多，关于装载机优化设计的研究主要集中在减速 器、连杆传动机构、举升机构等，而对轮辋的研究已落后于汽车业的发展速度， 不像轮胎那样有比较系统的研究。这可能是因为轮辋受力比较复杂，对它研究比 较麻烦，所以对轮辋的改进只能用“补补贴贴 的方法，没有可靠的理论作指导。 轮辋的强度和刚度与车辆的安全和性能息息相关。一方面，如果轮辋的强度 和刚度不够，在运行中发生故障，则会导致车轮飞出、车毁人亡的严重事故，所 以轮辋的可靠性直接决定着装载机行走的可靠性及安全性；另一方面，轮辋的强 度和刚度过大，必然会增加车轮的质量，使油耗增加，加速性能变差。因此，我 们研究的目的就是使轮辋在满足强度和刚度的前提下，尽量减轻质量，使整车具 有更好的经济性、动力性和平顺性。 在我国装载机面临如此大的竞争下，给轮辋带来的冲击亦很大，因此迫切需 要提高轮辋的材料利用率，在保证其安全性能的基础上，更好的利用材料的储备 强度，进行轮辋结构的优化迫在眉睫。 1 2 课题研究目的及意义 1 2 1 课题的提出 由于装载机经常在劣路、松软和碎石场地行驶作业，行驶时速度比较高( 如 国产z l s o 型装载机最高速度为3 5 k m h ) ，又经常在重负荷下作业，所以要求行 走系统的部件要与之相适应。 为获得较大的牵引力，轮式装载机几乎全部采用四轮驱动。装载机在作业时 前后轮负荷变化很大，为使机体不因此而造成较大的纵向摆动，以使装载机有较 第1 章绪论 好的作业稳定性，前后桥都采用刚性悬挂，因此来自地面的冲击只能靠采用的低 压轮胎来起缓冲作用。 轮辋与轮盘、轮毂共同组成了车轮。是装载机行走系统中的重要部分，其性 能则直接决定了车轮的安全性能，乃至整个装载机的安全性能，因此其性能的优 劣则显得十分重要。 目前轮辋的结构设计主要采用传统的类比设计，而考虑到其作为安全件，往 往其部分区域强度储备余量过足，而部分区域强度储备相对较低；现在对装载机 的优化又主要集中在工作装置、液压驱动系统、驾驶室等部分，对装载机轮辋的 优化考虑的甚少。 目前国内外提高轮辋性能、提高企业竞争力的方法主要有两种【1 9 】： 一、进行工艺改革，尽可能地提高生产率、降低轮辋的生产成本； 二、采用合理的科学理论支持，优化轮辋的结构，以从节约原材料的角度降 低成本。 第一种方法已经被很多厂家所意识到，并应用到实践中去，主要表现在： 1 锁圈、锁槽圈采用型钢，使制造该零件的生产率提高5 倍，节约材料3 5 ， 材料利用率高达9 5 ； 2 内外轮缘采用一次加热、一次成型的先进模具与工艺，可提高生产率5 0 以上，节约燃料5 0 ； 3 轮辐采用翻边工艺，克服浪费中心圆及周边钢板现象，节约材料4 0 以上， 使材料利用率达9 0 ，降低了成本。 第二种方法也有科研院所做了研究，如上海大众【2 0 】也做了有限元的仿真分 析，但其主要目的是利用有限元仿真来检测其强度薄弱环节；上海大学的王成龙、 夏复兴对轿车的轮辋进行了有限元仿真【2 1 】，分析了不同材料的轮辋体的最大承载 能力，并分析了冷轧后对轮辋强度的影响；上海大学的傅兴、夏复兴运用m s c n a s t r a n 对轿车轮辋进行了弯曲情况下的应力分析瞄】，分析计算了其强度：上 海汽车锻造有限公司的谢晖、薛峰也对轮辋进行了有限元仿真【2 3 1 。但目前没有利 用有限元仿真后进行验证，进一步对轮辋结构进行修改后分析比较。 轮辋的试制成本较高，所以使用c a d c a e 的建模分析进行优化设计的手 段可以有效的减少研发成本，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获 得最优的工作性能，提高产品设计质量和效率。 山东大学硕士学位论文 在此基础上山东大学可持续制造中心和山东工程机械钢圈厂联合提出了轮 辋的结构优化项目。针对目前轮辋行业缺少系统的理论支持的现状，提出了以山 东大学可持续制造中心为技术依托，共同研究出一套适用于轮辋强度的理论方 法；以达到在保证足够强度的前提下，提高轮辋的质量，降低成本，提升企业的 综合竞争力的目的，以应对钢材的调价、企业的规模的不断提升和国内外竞争的 日趋激烈【8 】，以保证企业始终走在行业的前列。 1 2 2 课题研究的目的和意义 轮辋作为工程机械的重要安全部件，其产品的可靠性、稳定性和市场反应快 捷性直接决定着工程机械的可靠性和安全性，也决定了轮辋产品的生产效益。而 国内的轮辋生产水平同国外差距较大，同时，产品具有高的可靠性、稳定性和良 好的市场反应能力是满足其适用的一项基本要求，是现代设计的一项重要指标。 本课题的目的是对轮辋体的工况进行分析，分析其受载情况；通过有限元仿 真分析其应力应变情况，结合实验验证修正模型，提出一套检验轮辋强度的理论； 开发轮辋设计的计算机辅助系统，提高轮辋设计的效率；在上面研究基础上，优 化轮辋结构；并对轮辋的疲劳强度和寿命预估做出分析。通过上面的研究，达到 提高产品的可靠性、稳定性、材料利用率和市场反应敏捷性的目的；解决目前轮 辋没有检验强度的合理理论依据问题，解决其带来的检验盲目性和随机性，安全 系数靠估计，设计主要靠类比设计得问题。 该研究的意义在于，对机械产品的强度检验检测理论和方法进行探索，建立 合理的设计方法和流程，通过设计保证提高产品的机构合理性、安全性、可靠性； 通过系统的开发，提高提高产品的可定制性，提高设计效率和市场响应速度；为 优化轮辋结构提供科学依据，在满足强度需要的基础上节约材料、降低成本，提 高经济性和可靠性；提出一套适合的疲劳强度分析方法，提高产品的疲劳可靠性 和寿命预估，保证其适用的安全稳定性。从而最终降低成本、提高材料利用率、 提高了企业的综合竞争力。在加入w t o 后，加快轻量化的设计和应用，提升我 国汽车整体水平，与世界标准接轨，对提高我国汽车行业国际竞争力、振兴民族 工业意义深远【9 1 。车轮作为汽车的非负载质量，它的重量的减轻比车上其它部件 重量的减轻更重要，效果更明显。 6 第1 章绪论 1 3 课题的主要研究内容及结构体系 1 3 1 研究内容 本论文主要研究内容包括以下部分： 1 ) 对装载机的各种工况进行分析研究，建立了轮辋体在装载机不同工况下 的力学模型。对轮辋的负载进行了理论研究，对其不同工况下的负载状况进行比 较分析，确定了最危险工况； 2 ) 对轮辋体在不同工况下的受载情况进行了分析研究，分析了其边界条件， 并计算了个工况下的应力应变情况。完成了轮辋体的实体建模，对轮辋体的载荷 分布和边界条件进行了分析，利用a b a q u s 进行了分析计算，并通过了实验验 证，提出了轮辋体的结构薄弱区域； 3 ) 对轮辋体设计的计算机辅助系统进行了研究。建立了设计系统流程结构， 研究了轮辋间的结构和尺寸关系，开发了s o l i de d g e 平台下的轮辋体计算机辅助 设计系统，并在联合单位进行了使用； 4 ) 对轮辋体的结构优化进行了研究。利用有限元仿真的准确性和计算机辅 助系统设计的快捷性，对轮辋的主要可变动参数，轮辋圆筒的厚度和轮辐的位置 进行了一系列分析比较，最终优化出合理的轮辋结构： 5 ) 对产品的可靠性、疲劳失效和寿命预估进行了研究。通过对轮辋体失效 形式的研究，建立了基于传统疲劳极限理论和m i n e r 损伤线形积累理论的评估方 法。运用有限元分析软件，分析轮辋运动周期内的受力，以此为基础进行了轮辋 体的疲劳校核和寿命预估分析。 1 3 2 论文组织结构 论文共包括七章，分为提出问题、原理方法与技术支持、优化和分析实现和 结论与展望。论文组织结构如图1 2 所示。 山东大学硕士学位论文 曼皇曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼量曼舅皇量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼量曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇! ! 皇曼i 8 第一章绪论 凭田。叫尼 担m 向焉 ， 第二章 装载机轮辋 ， 力学模型建立 第四章 轮辋设计的 计算机辅助系统 第- - 章 装载机轮辋 的静态分析 原理方法与 技术支持 t 第血章 轮辋结构的 优化及应用 第六章 轮辋的疲劳强度 分析与寿命预估 优化和分 士c 砖1 孤 冒l ，；o ，l t 第七章结论与展望 总结 图1 2 论文的组织结构 第2 章装载机轮辋力学模犁的建立及求解 第2 章装载机轮辋力学模型的建立及求解 轮辋作为装载机的重要组成部件，提高其性能必然对装载机整机产生重大的 影响。而轮辋依附于与其相应的装载机整机，要想对其进行结构分析并优化，必 须对整机结构以及整机的工作环境进行必要的研究。 本章旨在依据典型的装载机进行必要的资料收集，然后在此基础上对装载机 的具体工况进行分析，建立不同工况下的装载机轮辋力学模型。从而进一步分析 得到轮辋在不同工况下的具体负载，为进一步科学的分析优化奠定坚实基础。 2 1l g 9 5 0 1 装载机简介 2 1 1 装载机l g 9 5 0 1 的主要性能 装载机主要性能如表2 1 所示： 表2 1 装载机l g 9 5 0 1 主要性能 型号：w d 6 1 5 6 7 g 3 3 6型式：流量放大型液压铰接转向 发 额定功率：1 6 2 k w 转 系统工作压力：1 4 0 m p a 动额定转速：2 2 0 0 r m i n 向 机 系 转向角度：3 5 度 标定工况燃油耗率：2 1 5 9 k w h统 最小转弯半径：6 4 7 1 m m 型号：单极四元件双涡轮变矩器系统型式：开式双泵合流 变矩系数：4 1 9 工 系统工作压力：1 8 m p a 传 变矩器进口油压：0 5 4 9 0 6 m p a 作 动臂提升时间：5 5 s 动 液 系 变矩器出口油压：0 2 7 5 - 0 3 4 m p a动臂下降时间：2 6 5 s 压 统 变速操纵压力：1 1 1 5 m p a 系 铲斗卸料时间：1 7 0 s 车速：i 档o 1 2 k m hi i 档0 3 7k m h 统 最大崛起力：1 6 0 0 k n 主传型式：一级螺旋伞轮传动 燃油：3 0 0 l 驱 动减速比：5 2 8 6 加 液压油：1 9 0 l 动 轮边型式：一级行星减速 油 容 发动机机油：2 0 l 桥 量 减速 减速比：4 4变速箱：4 5 l 制 制动气压：0 4 5 0 6 8 m p a标准配置轮胎规格：2 3 5 2 5 动 脚制动型式：气顶油钳盘式传动 轮 轮胎前轮 0 3 3 3 0 3 5 3m 口a 系 手制动型式：钳盘式制动 胎 气压后轮0 2 7 5 - 0 2 9 4n 妒a 统 9 山东大学硕十学位论文 2 1 2 装载机l g 9 5 0 1 的标准配置 图2 1 装载机l g 9 5 0 1 外型图( 标准配置) 2 2 装载机轮辋力学模型的建立及求解 1 0 作为装载机的主要承载部件，其受力情况必须依据装载机的实际工作条件作 第2 章装载机轮辋力学模型的建立及求解 为依据，而不能凭空生成，所以科学的装载机力学模型建立成为首要条件。 装载机的工作条件比较复杂，其工作状态主要分为普通行走、负载行走、物 料装运、运动举升等。综合分析，下面针对轮辋的负载分以下几种情况来建立力 学模型： 空载工况下装载机轮辋的力学模型； 负载行走工况下装载机轮辋的力学模型； 极限正载工况下装载机轮辋的力学模型； 极限偏载工况下装载机轮辋的力学模型； 工作地面倾斜时装载机轮辋的力学模型。 2 2 1 空载工况下装载机轮辋的力学模型 此工况最为简单，以l g 9 5 0 1 为例，此时一对前轮和一对后轮的受载情况 相同，依据装载机的设计原则，确定出起重心位置在距离前轮2 3 8 6 m m 的位置， 前后车距为3 2 0 0 m m 。因载荷左右对称，可简化为如图2 2 的二维受力模型。 图2 2 空载工况装载机轮辋的力学模型 根据受力平衡和力矩平衡建立方程组： n 1 + n 2 = gn 2 l 2 = n i l t l l = 2 3 8 6 m ml 2 = 8 1 4 m m g = i6 8 0 0 0 n 受力结果计算如下：n l = 4 2 7 3 5 nn 2 = 1 2 5 2 6 5 n 其中n 1 和n 2 分别代表一对前轮和一对后轮的受力，而二者因载荷对称，所 以负载相同，前轮受力为2 1 3 6 7 5 n ，后轮受力为6 2 6 3 2 5 n 。所以此工况下最大 负载发生在后车轮轮辋，其大小为6 2 6 3 2 5 n 。 山东大学硕士学位论文 2 2 2 负载行走工况下装载机轮辋的力学模型 此工况下，前轮和后轮的受载情况依然分别相同，相对于空载的主要不同在 于铲斗出增加了5 吨的负载。因载荷左右对称，可简化为图2 3 二维受力模型。 、n 1 。 、鲂厂 g ；。6 8 0 0 0 n ) n ， 图2 3 负载行走工况装载机轮辋的力学模型 根据受力平衡和力矩平衡建立方程组： n l + n 2 = g + n 3 n 3 l 3 + n 2 ( l i + l 2 ) = g 。l 1 l l = 2 38 6 m m l 2 2 814 m m l 3 = 2 4 5 0 m m g = 16 8 0 0 0 n f z = 5 0 0 0 0 n 受力结果计算如下：n 1 = 1 3 1 0 1 6 2 5 n n 2 = 8 6 9 8 3 7 5 n 其中n l 和n 2 分别代表一对前轮和一对后轮的受力，而二者因载荷对称，所 以负载相同，前轮受力为6 5 5 0 8 1 2 5 n ，后轮受力为4 3 4 9 1 8 7 5 n 。此工况下最大 负载发生在前车轮轮辋，其大小为6 5 5 0 8 1 2 5 n 。 2 2 3 极限正载工况下装载机轮辋的力学模型 此工况指当装载机在铲削物料的过程中，铲削到底举升的瞬间所发生。即当 举升时，装载机铲斗同时受到水平阻力和掘起阻力的作用，而此工况下能够举升 得最大载荷因车身本身的重量有关，当后轮发生离地的临界状态时，装载机达到 最大载荷。因为载荷左右对称，可简化为如图2 4 的二维受力模型。 nk 厂。 7 皆 j 遵 ! i 毒 l 一一一一：一一 图2 4 极限正载工况下装载机二维模型 第2 幸装载机轮辋力学模犁的建立及求解 结合摩擦学的原理，根据受力平衡和力矩平衡建立方程组： n i + n 2 = g + f zf z l 3 + n 2 ( l i + l 2 ) = g l 2 l l = 2 3 8 6 m ml 2 = 8 1 4 m m l 3 = 2 5 0 5 m m g = 16 8 0 0 0 n n e = 0 n 受力结果计算如下：n l = 3 2 8 0 0 0 nn 2 = 0 nf z = 1 6 0 0 0 0 其中n l 和n 2 分别代表一对前轮和一对后轮的受力，而二者因载荷对称，所 以负载相同，分别为n l 和n 2 的二分之一。前轮受力为1 6 4 0 0 0 n ，后轮受力为 o n 。此工况下最大负载发生在前车轮轮辋，其大小为1 6 4 0 0 0 n 。 2 2 4 极限偏载载荷下装载机的力学模型 当装载机在环境恶劣的环境中作业时，当铲斗最边上的护角斗齿被地面上 的钢丝或者建筑物阻挡，而不能掘起。此时该铲斗同时受到水平阻力f x 。和掘起 阻力f z 的作用，此临界状态为装载机失稳的瞬间，即后面一轮胎的负载为零时， 建立如图2 5 的装载机三维受力模型。 图2 5 极限偏载工况下装载机三维受力模型 结合摩擦学的相关原理，根据受力平衡和力矩平衡建立方程组： 山东大学硕士学位论文 l + 2 + 3 = 疋f z + g 1 毛+ 砭2 = 委g 毛 么 3 。厶+ 砭= g 毛 ( f z + g ) = 最 忍。乞= j l l 3 厶+ j l l l 毛 已知量如下所示： “= 0 3 4 g = 1 6 8 0 0 0 n 厶= 2 7 2 8 m m 厶= 4 2 3 m m 厶= 2 2 0 4 m m 厶= 3 2 0 0 m m 厶= 2 3 8 6 m m 将已知量代入求解得： e = 1 2 7 8 1 7 凡= 1 0 0 5 7 8 n = 4 8 0 4 5 n = 2 3 1 4 7 1 n m = 1 6 3 0 1 n 2 2 5 工作地面倾斜时装载机轮辋的力学模型 装载机作为装载机械，很大的作业环境为矿山，那么此时工作环境比较恶劣， 地面倾斜亦非常正常，此情况对于装载机各轮辋的总负载及负载分配情况没有很 大影响，但单独对轮辋来说却有了很大区别。 此时，轮辋的受载不再是单一的垂直于轮辋轴线的地面摩擦力与装载机载 荷，而会因倾斜产生沿轮辋轴向的分力，此分离主要由轮辋的轮缘承担，所以对 轮辋的强度来说是一个非常重要的因素，此时单个轮辋的受力模型如图所示： 1 4 第2 章装载机轮辋力学模型的建立及求解 图2 6 倾斜路况下的装载机轮辋受力模型 此时对单个轮辋来说，在2 2 1 2 2 4 中所承载力转化为轮辋的负载g ，那么 此时轮辋受到的载荷为： 轴向载荷：f 产g s i n a 径向载荷：f z - g c o sq 以2 2 4 中极限偏载工况为例，当地面发生1 0 度时，那么载荷最大轮辋所受 的轴向载荷为：f x 司电s 烈1 0 = 2 3 1 4 7 l n 0 1 7 3 6 = 4 0 1 9 4 n 径向载荷：f ：_ n 2 c o s l 0 _ 2 3 1 4 7 l n 0 9 8 4 8 = 2 2 7 9 5 4 n 2 3 各工况下装载机轮辋的受力比较与分析 通过前面装载机轮辋在不同工况下力学模型的建立及求解，我们可以得到在 不同工况下最大车轮的受载情况，然后结合各种工况发生的普遍性，可得出装载 机在各种工况下各轮辋负载以及最大负载，如表2 2 ： 表2 2 装载机不同工况下轮辋的负载情况 前轮负载( n )后轮负载 最大 装载机工况 左轮右轮左轮 右轮 负载( m 径向轴向径向轴向径向轴向径向轴向 空载2 1 3 6 7 5o2 1 3 6 7 5o6 2 6 3 2 5o6 2 6 3 2 506 2 6 3 2 5 未 负载行走6 5 5 0 8 1 306 5 5 0 8 1 3o4 3 4 9 1 8 804 3 4 9 1 8 806 5 5 0 8 1 3 倾 极限正载1 6 4 0 0 0o1 6 4 0 0 00o0o01 6 4 0 0 0 斜 极限偏载2 3 1 4 7 104 8 0 4 501 6 3 0 1o0o2 3 1 4 7 1 倾空载 2 1 0 4 2 7 l 3 7 0 9 3 92 1 0 4 2 7 l3 7 0 9 3 96 l6 8 0 4 91 0 8 7 36 16 8 0 4 91 0 8 7 36 1 6 8 0 4 9 斜 负载行走 6 4 5 1 2 41 1 3 7 2 2 l6 4