基于ANSYS的拖拉機(jī)液壓提升試驗(yàn)臺提升框架分析研究

朱景紅 李永武

摘 要：以拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)提升試驗(yàn)臺實(shí)際項(xiàng)目為基礎(chǔ)，針對試驗(yàn)過程中提升框架強(qiáng)度不夠的問題，借助有限元軟件ANSYS建立提升裝置模型，按最大提升力工況進(jìn)行加載計(jì)算。通過對原始方案模型的計(jì)算及多次改進(jìn)，得出相關(guān)結(jié)論；改進(jìn)方案的計(jì)算結(jié)果也進(jìn)一步證明了原始方案存在的問題，并最終確定出提升框架的結(jié)構(gòu)形式。原始方案出現(xiàn)問題的主要原因是缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，沒有參考依據(jù)。本文的研究內(nèi)容可為后續(xù)大馬力拖拉機(jī)提升框架設(shè)計(jì)提供一定的理論及技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)；液壓懸掛系統(tǒng)；提升框架；ANSYS

中圖分類號：TH123+.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.09.001

Abstract： This paper based on the actual project of tractor hydraulic suspension system test bench and according to the problem of promotion framework insufficient rigidity in experiment process established the lifting device model and calculated the maximum lifting force condition with the finite element software ANSYS. Through the calculation of the original program model and several improvements， at last this paper drew certain conclusions； The results of the improvement program also proved that the original program had problems and ultimately determined the structure of the lifting frame. The main reason of the original program problems was the lack of design experience and no reference. Contents of this paper can provide theory and technical reference for the design of large horsepower tractors lifting frame.

Keywords： tractor； hydraulic suspension system； lifting frame； ANSYS

0 引言

拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)通過拖拉機(jī)后部的懸掛裝置來掛接配套的農(nóng)機(jī)具，并可以調(diào)節(jié)和控制農(nóng)具的升降，以此達(dá)到控制耕作的深度，同時可為各種農(nóng)機(jī)具的多種動作提供牽引力，因此對其能力進(jìn)行試驗(yàn)就顯得尤為重要。而拖拉機(jī)懸掛裝置提升能力試驗(yàn)又是拖拉機(jī)性能檢測的主要內(nèi)容，試驗(yàn)結(jié)果直接反映拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)的工作能力及其設(shè)計(jì)制造是否符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

鑒于拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，對其檢測并不容易，目前一般的基層農(nóng)機(jī)維修單位在提升器定量檢測方面基本為空白，僅有的是傳統(tǒng)的簡單定性分析。致使液壓提升器的故障得不到及時有效地解決，這也大大制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。統(tǒng)計(jì)表明，目前國內(nèi)外針對拖拉機(jī)提升器進(jìn)行的檢測基本上是拖拉機(jī)廠進(jìn)行的出廠性能檢驗(yàn)[2]，還有小部分的檢測部門進(jìn)行的檢測等。其中新型大中型農(nóng)機(jī)具的投入及使用，使得提升器檢測方面的不足更為明顯[3]。

目前，提升器的加載方式主要有重塊加載和液壓加載兩種主要形式，其中重塊加載始終表現(xiàn)為垂直力，符合試驗(yàn)規(guī)程，不足之處是重塊是分級的，不能實(shí)現(xiàn)無極加載，存在一定的誤差；液壓加載通過溢流閥的控制可實(shí)現(xiàn)無極加載，其不足之處是受油缸下絞點(diǎn)擺動的影響，提升過程中負(fù)荷的方向是變化的，與實(shí)際操作規(guī)程有差異[4]；而且液壓加載還存在無極伸縮的缺點(diǎn)，同時液壓加載存在安裝調(diào)試復(fù)雜，成本高等缺點(diǎn)。重塊加載的機(jī)械形式具有成本低，安裝制作簡單等優(yōu)點(diǎn)，本文實(shí)際項(xiàng)目采用了重塊加載的機(jī)械形式。

本文以拖拉機(jī)提升試驗(yàn)臺實(shí)際項(xiàng)目為基礎(chǔ)，借助ANSYS軟件建立提升裝置的有限元模型，以最大提升力工況進(jìn)行加載計(jì)算。首先對原始方案進(jìn)行加載計(jì)算，然后更改原始方案各構(gòu)件的板厚，重新進(jìn)行加載計(jì)算；隨后，本文改進(jìn)原始方案的結(jié)構(gòu)形式，重新進(jìn)行加載計(jì)算，最后對比分析了兩種方案的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果表明方案改進(jìn)后能夠滿足實(shí)際使用要求，可為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 提升試驗(yàn)臺的基本形式

提升試驗(yàn)臺裝置，主要由提升框架、砝碼支架、絲杠裝置以及地錨等四大部分組成，見圖1。試驗(yàn)過程中容易出現(xiàn)問題的是提升框架這一主體結(jié)構(gòu)，這也是本文主要的研究對象，提升框架可進(jìn)一步細(xì)分為方形框、斜拉板以及立柱等結(jié)構(gòu)，見圖2。

2 全行程最大提升力計(jì)算

本文最大提升力試驗(yàn)是在提升框架上進(jìn)行試驗(yàn)的，因?yàn)橥侠瓩C(jī)整機(jī)出廠檢驗(yàn)建議優(yōu)先選擇在提升框架上進(jìn)行試驗(yàn)，其中國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大提升力指標(biāo)也是指在提升框架上試驗(yàn)的最大提升力[5]。試驗(yàn)時，將試驗(yàn)裝置按照《GB/T 3871.4-2006》規(guī)定的試驗(yàn)規(guī)程及其注意事項(xiàng)進(jìn)行安裝。其中試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定：在提升框架610 mm處施加一可測量的垂直向下的力；有效提升力和相應(yīng)的液壓壓力應(yīng)在整個提升范圍內(nèi)間隔大致相等的至少6點(diǎn)處測定，其中包括最高與最低點(diǎn)這兩個極限位置。

本試驗(yàn)選取6段測定7個點(diǎn)的提升力，試驗(yàn)最終確定的是整個提升行程的最大提升力，其中最大提升力的確定如下：取所有測得的提升力中的最小值，將其修正到相當(dāng)于液壓提升系統(tǒng)安全閥最小調(diào)定壓力的90%時的對應(yīng)值，該值即為整個提升范圍內(nèi)的最大提升力，見如下公式。

3 提升裝置有限元模型建立及計(jì)算分析

本文選用某企業(yè)LM1204輪式拖拉機(jī)88.2 kW[120 PS]的提升試驗(yàn)臺實(shí)際項(xiàng)目為例，建立提升框架及砝碼框架的有限元模型，如圖3所示，然后按最大提升力工況進(jìn)行加載計(jì)算。

原始方案即實(shí)際項(xiàng)目初次制作是將提升框架的所有板全部采用20 mm厚的Q235板材焊接而成，尤其是方形框這一結(jié)構(gòu)，采用四塊立板焊接而成，但是在試驗(yàn)過程中，提升框架強(qiáng)度出現(xiàn)了多種問題，尤其是主要構(gòu)件“立柱”，不僅強(qiáng)度不滿足要求，剛度也出現(xiàn)了問題。本文首先對原始方案進(jìn)行建模并計(jì)算，這里選用的是ANSYS的三維板殼單元shell63來模擬板材，該單元可以模擬板殼的平面膜應(yīng)力及平面彎曲能力。其中提升框架方形框的有限元截面圖如圖4所示。

本實(shí)驗(yàn)臺采用的是重塊加載的機(jī)械形式，將砝碼一塊塊放置到砝碼架上，有限元加載時對該加載形式進(jìn)行了模擬，選取砝碼支架放置重塊的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載，由于試驗(yàn)過程中提升框架會隨三點(diǎn)懸掛裝置不斷被提升，此時砝碼框架會沿著與提升框架的連接軸旋轉(zhuǎn)，以保證所施加的力為垂直力。本文選取提升框架的最大受力工況進(jìn)行加載計(jì)算，即砝碼支架與提升框架垂直的角度進(jìn)行加載。其中板厚20 mm的Q235板材的屈服強(qiáng)度為225 MPa，抗拉強(qiáng)度為375 MPa，材料的許用應(yīng)力為168 MPa。

根據(jù)拖拉機(jī)使用說明書及計(jì)算得出需要加載重塊的重力為26.656 kN，有限元中分10個加載點(diǎn)進(jìn)行加載。實(shí)際項(xiàng)目安裝調(diào)試過程中，最容易出問題的是提升框架立柱這一構(gòu)件。經(jīng)計(jì)算，原始方案立柱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力達(dá)1136.66 MPa，見圖5，嚴(yán)重超許用應(yīng)力，整個提升裝置的應(yīng)變最大達(dá)30.77 mm，見圖6。

針對原始方案，本文又做了如下統(tǒng)計(jì)計(jì)算：（1）將立柱板材厚度改為40 mm其余板厚不變，重新進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果立柱最大應(yīng)力為541 MPa，依舊超許用應(yīng)力，整體應(yīng)變有所減小，最大為18.47 mm；（2）立柱厚度不變，仍為20 mm，將方形框及斜拉板各個板厚改為40 mm，立柱及整體變形依舊很大，應(yīng)力高達(dá)1216.68 MPa，整體應(yīng)變最大為29.56 mm；（3）立柱、斜拉板及方形框板厚均改為40 mm，立柱高達(dá)578.08 MPa，整體應(yīng)變最大為16.6 mm，立柱應(yīng)力依舊超許用應(yīng)力。而且對于40 mm厚的立柱來說折彎也相對不易，需要大型折彎機(jī)才能滿足要求。綜上所述：針對原始方案無論如何增加板厚，都起不到很好的效果，提升試驗(yàn)臺整體變形依舊較大，應(yīng)力也嚴(yán)重超許用應(yīng)力。

針對原始方案整體變形較大，剛度不足的問題，方案進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)方案與原始方案的不同之處在于：將提升框架方形框部分的長梁采用10#槽鋼與12 mm厚的板焊接而成，短梁采用兩10#槽鋼對焊而成的形式，以提高其剛度，其余部分結(jié)構(gòu)與原方案完全一致，均為20 mm厚的板。有限元建模時采用的是solid45三維實(shí)體單元來模擬槽鋼體結(jié)構(gòu)，提升框架方形框的有限元截面圖，如圖7所示。

按照相同的力進(jìn)行加載計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為：易壞構(gòu)件立柱的應(yīng)力最大只有128.94 MPa<[168 MPa]，提升裝置整體應(yīng)變僅僅3.48 mm，滿足使用要求。

4 結(jié)論

本文建立提升裝置的有限元模型并進(jìn)行加載計(jì)算，通過對原始方案的計(jì)算及多次更改原始方案各主要構(gòu)件板厚重新加載計(jì)算，得出結(jié)論：提升框架的方形框如果采用四塊立板焊接而成，那么不管各構(gòu)件板厚多厚，由于變形較大，框架立柱受力總會超許用應(yīng)力，改進(jìn)板厚不能起到很好的效果，說明原始方案方形框本身這種板材焊接的結(jié)構(gòu)形式不能滿足使用要求。

將原始方案的方形框改為槽鋼之后，受力情況則明顯改善，立柱應(yīng)力也在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，完全滿足使用要求。鑒于目前針對提升試驗(yàn)臺的研究相對較少，缺乏理論參考，本文的研究內(nèi)容可為后續(xù)大馬力拖拉機(jī)提升試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)提供一定的理論參考，對實(shí)際設(shè)計(jì)具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。

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