某路錐收放車回轉升降機構有限元分析與結構優化

崔龍飛，張龍，馬大為，張秀維

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094)

目前，國內在公路維修作業時路錐的擺放與回收均采用人工擺放，尚缺少路錐的擺放與回收設備，人工擺放和回收不僅僅作業速度慢，更為重要的是它將工人暴露于危險的交通情況下，安全系數低。而國外在公路維修養護工程中，已使用路錐自動擺放與回收機器。美國的AHMCT 中心早已研發出可以自動存儲、放置和回收路錐的機器，所有的操作都在駕駛室內部由司機一個人控制。英國的SafeTcone 路錐收放車是一個獨特的有國際專利的路錐自動存儲、放置和回收系統，該系統完全自動化，在駕駛室內通過友好的觸摸屏菜單驅動軟件來操作與控制，驅動程序都預先編好。

國內第一輛全自動路錐收放車物理樣機雖然成功研制，但它本身也存在較多的缺點，尚未投入大批量的生產與廣泛應用，路錐收放箱懸掛車體右側作業，導致非工作狀態行駛時不便，因此設計回轉升降機構，與路錐收放箱連接，在開始作業時將路錐收放箱放到車體右側的固定位置，完成作業后將收放箱收回車上，避免超寬。回轉升降機構在工作過程中受力非常大，是該系統的薄弱環節，其力學性能直接關系收放路錐的可靠性和設備安全性。根據自動路錐收放車虛擬樣機的結構尺寸，使用ABAQUS/CAE 建立簡化的回轉升降機構有限元模型，充分考慮了零部件之間的接觸問題，然后根據不同工況條件重點對機構的強度、剛度進行有限元分析，并對主要承載部件單獨進行校核計算，以確保真實準確地模擬實際情況，找出了承載能力比較薄弱的部位，以降低應力和應變為目的對結構進行優化設計。

1 回轉升降機構有限元模型的建立

1.1 三維模型

回轉升降機構主要包括一套利用伺服電機、減速器、聯軸器傳動的回轉機構和絲杠雙導軌固定于焊接架上組成的升降機構兩部分。升降機構通過提升板與收放箱固連在一起，負責在放路錐時，先將整個路錐收放箱抬起離開車板平面，然后電機帶動機構回轉180°，另一電機帶動絲杠旋轉將收放箱放下，下落直至路錐車右側掛鉤上，以保證施工過程中，整個絲杠、導軌部分不會長時間受力。在工作完成以后時，同樣需要將整個收放箱回收至車上，讓車輛底板來承受整個收放箱的重量，回收過程跟放下過程相反，同樣在收放箱的另一側裝有固定錐銷，便于行駛過程中路錐收放箱的固定。

回轉升降機構以及收放箱體的虛擬樣機模型如圖1所示。電機、減速器等在底座內部，底座、連接塊材料都是45 鋼，屈服極限σs≥335 MPa 絲杠導軌固定在焊接架上，絲杠和導軌材料牌號Q255A，支撐架為冷拔無縫方形鋼管焊接而成，材料也為45 鋼，導軌上的滑塊通過圖中所示的連接板與路錐收放箱連接。

圖1 回轉升降機構CAD 模型

1.2 創建簡化模型

依照設計好的自動路錐收放車虛擬樣機結構，使用ABAQUS/CAE 重新建立回轉升降機構、收放箱、車的簡化計算模型，如圖2所示。回轉升降機構以及收放箱體結構復雜，有各種加強筋、隔板、凸臺和附件，在建立有限元模型時，不必全部考慮這些復雜的因素，根據等效原理，對機構進行必要的簡化，略去蓋板、安裝用吊環等功能件和非承載件［1］。將底座、軸、軸承等作為一個零件處理，路錐收放箱簡化為與實際近似的長方體。在ABAQUS 前處理中建立的回收升降機構簡化模型如圖3所示。

圖2 整體計算模型

圖3 回轉升降機構簡化模型

1.3 定義部件之間的相互作用

回轉升降機構整體計算模型中包含許多零部件，部件之間存在著各種各樣的相互作用關系，包括接觸關系和各種約束關系［2］，使用Interaction 模塊定義模型中兩個實體之間或者一個裝配件的兩個區域之間在空間位置上的相互關系如下:

(1)焊接支撐架由不同型號的冷拔無縫鋼管焊接而成，提升板由各種板材焊接而成，焊縫以及所有固定起來不進行相對移動的零件統一采用綁定約束(Tie)。

(2)如圖3 中的連接懸臂是包括連接座a、b 及兩個鉸制孔螺栓組成的子裝配體，存在較為復雜的接觸及多種約束關系，在機構的整體分析過程中會給計算過程帶來較大的難度，因此采用對立分析的方法解決這一沖突，即整個機構強度校核計算過程中將該子裝配體中的部件之間進行綁定約束處理，不考慮之間的接觸和約束;在后面的連接懸臂強度單獨校核中，定義連接座a、b 及兩個螺栓之間的接觸及約束關系，重點分析在等效力和力矩下這些零件之間的接觸問題。

(3)運用罰函數法施加模型滑塊、導軌、絲杠之間的接觸約束，絲杠的安裝比較復雜，所以未對與絲杠相配合的軸承、聯軸器及電機等逐一建模，而是在絲杠與絲杠固定座之間定義耦合約束(Coupling)，模擬它們之間的轉動副［3］。

(4)在收放箱質心點處建立一個新的參考點，并賦予收放箱的實際質量，然后將該點與提升板和收放箱體接觸面進行耦合約束，模擬重力場中收放箱對提升板的作用。

(5)收放箱的變形及車體平板的變形不是主要研究的問題，因此將這兩個部件施加顯示體約束(Display Body)，只起到圖形顯示的作用，大大減少計算量。

1.4 邊界條件與網格劃分

建立收放箱回轉升降機構的有限元模型，需要根據整個路錐收放車的實際情況，賦予模型合適的材料屬性，選擇合適的有限元單元，對該機構進行網格劃分，進行邊界條件的模擬，最后給出一個精度可接受的收放箱回轉升降機構的有限元模型［4］，如圖4所示。約束了圖中底座底面的6 個自由度，在定義載荷模塊中定義重力場的大小和方向，然后進入Mesh 模塊中劃分網格，具體計算模型的單元類型不僅取決于構件的幾何形狀，還依賴于載荷的類型，為了提高FEA 結果精度，所有三維實體零件都選用C3D8R 六面體進行網格劃分，復雜零件先進行分割然后再劃分網格，基于工程經驗，提升板和焊接支撐架是采用結構板材、管材焊接而成，前處理中這些零件類型都建為三維可變形殼體，這里采用S4R 殼單元進行網格劃分［5］。

圖4 回收升降機構有限元模型

2 整體結構強度分析及結果

實際中所有的機械結構均為非線性的，根據彈性靜力學分析的基本原理，用ABAQUS/Standard 隱式求解器對機構進行非線性有限元分析，使用Newton－Raphson 算法來求解，計算過程分為許多載荷增量步，并在每個載荷增量步結束時尋求近似的平衡構型，通常要經過若干次迭代才能找到某一載荷增量步可接受的解，所有增量響應的和就是非線性的近似解［2］。

2.1 收放箱處于最高點時的分析計算及結果

當收放箱位于最高點時，整個模型的Mises 應力、應變云圖如圖5所示，整個回轉升降機構的應力主要集中在焊接支撐架上端右側方管焊接部位、提升板的右上角，最大應力為323 MPa，最大應變為3.762 mm。

圖5 回轉升降機構的應力、應變云圖

2.2 收放箱處于中部時的分析計算及結果

當收放箱運動至絲杠的中間部位時，通過校核計算得出整個回轉升降機構的應力、應變云圖見圖6，由圖可見，此時的最大應力為268.2 MPa，且應力主要集中在焊接支撐架中部的方管焊接部位和提升板的右上角部分，通過整個模型的應變云圖可知，最大應變出現在提升板左下角，最大應變為2.881 mm。

圖6 回轉升降機構的應力、應變云圖

2.3 收放箱處于最低點時的分析計算及結果

當收放箱運動至絲杠的最低點時，通過校核計算得出此時整個回轉升降機構的應力、應變云圖見圖7，此時的最大應力為310.7 MPa，且主要集中在焊接支撐架右下角的焊接部位和提升板的右上角部分，在該工況下的最大位移是4.024 mm，變形比收放箱處于最高點時有所增加，懸臂此時彎曲變形最大。

圖7 回轉升降機構的應力、應變云圖

通過對收放箱處于3 個不同位置時的結構靜力學分析，可知收放箱處于最高點、最低點時結構的最大應力、應變都要比處于中部大，這是單懸臂梁結構的不足之處。應力都集中在提升板、焊接支撐架的方管焊縫處，并且最大值達到了323 MPa，冷拔無縫方形鋼管材料為45 鋼，屈服極限為335 MPa，最大應力已接近材料的屈服極限，結構安全系數較低，可能會產生變形甚至破壞。同時位移最大的地方出現在收放箱提升板左下角，最大應變為4.024 mm，收放箱體傾斜，直接影響收放路錐的可靠性，因此需要對該機構進行優化改進［6－7］。

3 連接懸臂結構強度分析

回轉升降機構分為回轉機構與提升機構兩個部分，這兩個部分靠圖8所示的連接座a，連接座b 及兩個鉸制孔螺栓連接，連接座a 與回轉機構的主軸用平鍵連接，連接座b 與焊接支撐架焊接在一起，之所以把連接懸臂設計成連接座a、連接座b 兩部分，是為了便于安裝調試。由于連接座承受升降機構和整個收放箱體的質量，將該部分單獨進行計算分析。運用到了罰函數法定義模型各部件之間的接觸屬性，約束連接座a 內圓孔六個自由度，將升降機構及收放箱體的重力等效為作用在連接座b內孔中心的力和力矩，具體模型及邊界條件和載荷施加如圖8所示。

經過計算得出整個連接部位的最大應力為22.6 MPa，應力云圖見圖9，最大應變為2.192 × 10－2mm，如圖10所示。同時得出兩個連接螺栓的應力分布圖如圖11所示，應力最大值為5.141 MPa，可知螺栓的強度足夠。這里整個部件的應力及位移都比較小，螺栓的應力較小主要是由于兩個連接塊之間存在接觸關系，分擔相當一部分載荷。

圖8 連接部件裝配體

圖9 連接部件的應力云圖

圖10 連接部件的位移云圖

圖11 連接螺栓的應力云圖

4 回轉升降機構結構優化

通過分析得知原有結構應力集中比較明顯，主要出現在焊接支撐架的焊縫處、提升板與滑塊連接板處，最大應力快接近材料的屈服極限，對結構進行以下兩方面的改進，一是更換強度薄弱部分結構的材料;二是改變局部的結構形式。

4.1 結構改進方案

據分析結果，該系統結構設計在強度方面存在著亟待改進的問題［8］。為有效增強結構強度、剛度，在結構設計上進行一下幾個方面修改:

(1)將提升板厚度由原來的2.5 mm 增至4 mm，同時在提升板的上端、下端內部各增加一處加強筋，以提高其強度;

(2)考慮到絲杠部分跨度較大，為增加絲杠的剛度，在許可范圍內取用更大型號的絲杠，并對該絲杠的固定形式做相應的改進;

(3)針對焊接件方管部位的應力集中問題，對冷拔方管及圓管厚度同時增加至4 mm，增加支撐方管的數量;

(4)各部位應力較大的一個很重要的原因是因為該機構屬于單懸臂梁結構，同時承受彎矩和扭矩較大，因此在焊接架下部添加一個支撐來分擔各部分的受力情況，該支撐一端與圓管焊接，另一端通過4 個小軸承與底座滾動接觸，按照上面的方法及步驟，設計出機構的優化模型如圖12所示。

圖12 優化模型的三維裝配圖

4.2 模型優化后的分析計算及結果對比

分別對收放箱處于不同位置的有限元模型進行分析，得到了最大應變所在位置和應力分布規律，如圖13所示，最大應力分別為276.2 MPa，138.4 MPa，269.3 MPa，最大位移分別為2.646 mm，1.911 mm，2.773 mm，較初始模型有顯著的改善。

圖13 優化模型不同姿態應力分布云圖

現在將改進模型不同工況的最大Mises 應力和最大應變和初始模型進行對比，如表1所示。

表1 優化前后應力、應變對比

經過對結構的改進，整個機構的最大應力較之前有明顯降低，最大位移也有所減少，同時在車的一側和車板上都設計了收放箱固定架，通過DSP 控制回升降機構，當收放箱到達指定位置時，將其放至固定架上，靠固定座來承擔箱體重量，避免絲杠、導軌長時間受力，改進后的路錐收放車物理樣機如圖14所示，基本滿足要求。

圖14 改進后的整車物理樣機

5 結束語

利用ABAQUS/CAE 建立回轉升降機構的有限元模型，用不同單元對機構進行了離散化處理，并按實際邊界條件加以約束，使得計算結果的準確性得到保證。然后使用ABAQUS/Standard 隱式求解器，對回轉升降機構3 個不同工作狀態進行靜力學分析，得出整個機構的應力分布及位移變形情況，然后針對承載能力比較薄弱的部位提出優化改進方案，再次進行建模分析，得到結果較之前有明顯改善，并且對連接懸臂部分進行單獨校核分析，計算結果滿足使用要求。

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【2】石亦平，周玉蓉.ABAQUS6.6 有限元分析實例詳解［M］.北京:機械工業出版社，2008.

【3】王勖成.有限單元法［M］.清華大學出版社，2003.

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【5】王義亮，謝友柏.四缸內燃機機體結構模態分析［J］.內燃機學報，2002，20(1):75－78.

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【7】李博.基于ABAQUS 的液壓機工作臺優化設計［J］.機械設計與制造，2009(9):75－77.

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