丘陵山地拖拉機整機輕量化技術研究

潘群林 ,廖 敏,2, 陶金京,劉 鵬,張曉鷗

(1.西華大學 機械工程學院,成都 610039;2.流體動力機械教育部重點實驗室,成都 610039)

0 引言

丘陵地區具有田塊小、分散、田間落差大及道路條件差等特點,非常適合發展小型輕簡型農業機械。拖拉機作為農業機械化生產的母機,在播種、旋耕、收獲工作過程中扮演著重要角色[1]。為滿足丘陵地區農業機械化生產要求,拖拉機輕量化設計很有必要。趙紅兵等人應用有限元法對850型拖拉機底盤組合件結構進行分析及輕量化改進,在保證拖拉機底盤組合件的強度和剛度的條件下,實現了拖拉機底盤組合件減重21kg[2]。李光輝等人建立拖拉機后驅動橋半軸殼多目標模糊可靠性的模型,應用遺傳算法進行優化設計,在滿足材料力學性能基礎上減重20%[3]。

現有文獻研究結果表明:針對拖拉機輕量化問題,目前國內學者研究內容僅限于拖拉機的關鍵零件和部件的輕量化,并未涉及到拖拉機整機的輕量化問題。本文以拖拉機整機為對象,進行拖拉機整機輕量化技術和方法的研究,以期指導進行丘陵地區拖拉機整機輕量化設計。

1 拖拉機零部件輕量化技術

1.1 拖拉機零件的輕量化技術

1.1.1 材料輕量化

材料輕量化技術將高強度輕質材料應用到所研究的零件上,結合零件的結構進行零件幾何和拓撲優化,并進行零件力學性能綜合分析與試驗,使輕量化后的零件滿足設計要求,同時減少質量。常用的輕量化材料包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦以及高性能復合材料等,且高強度鋼的比例逐年減少。拖拉機上適合材料輕量化的零件主要包括機罩、駕駛室頂棚、油箱等覆蓋件和殼體零件。

以國內某企業拖拉機機罩輕量化為例,將機罩材料用一種新材料PDCPD替換。PDCPD是一種機械物理綜合性能很好的熱固性工程塑料,具有高抗沖擊強度、高彎曲模量(韌性指標)、高硬度、高熱變形溫度和很好的抗老化性能,且成形工藝靈活、簡單,特別適宜制成高強度、大面積的超薄制件。選定材料后,采用有限元法分析機罩的力學性能指標,得到替換材料前后兩種機罩的應力、變形和等效位移,并進行力學性能對比分析;還需要對應用新材料PDCPD的機罩進行結構優化,使其滿足新材料PDCPD的成形工藝,同時進行有限元分析,直到得到滿足使用要求的PDCPD機罩。根據輕量化設計要求,試制PDCPD機罩,并對樣件進行試驗,檢驗其機械性能是否滿足設計和使用要求。圖1為應用PDCPD材料的拖拉機機罩[4-5]。在未使用PDCPD材料之前,需要投入8套模具、經過8道工序沖壓才能制成,生產周期比較長,成本比較昂貴;采用新材料PDCPD加工后,生產周期減半,質量也比之前減少50%。

1.1.2 結構輕量化

結構輕量化技術是指采用最優化技術、模塊化技術、細節化技術等設計方法對結構進行優化設計,通過構件的形狀、配置數量、板材厚度變化,使結構輕量化設計后的零部件滿足各項設計或使用要求。常見的優化設計方法包括形貌優化、尺寸優化、拓撲優化,以及模塊化和多學科優化設計。

圖1 某大型輪式拖拉機的PDCPD 材料機罩

以拖拉機驅動橋殼的結構輕量化設計為例,首先,將拓撲優化技術應用于拖拉機的驅動橋殼零件上,將建立好的三維模型在有限元軟件中進行網格劃分、施加載荷與約束,運用拓撲優化對零部件進行優化設計,根據優化結果重新改進驅動橋殼結構;然后,從靜力學分析的角度,對優化后零部件強度、剛度驗證分析,將優化后的驅動橋殼通過優化算法進行二次優化,定義約束條件、目標函數和設計變量,得到最終優化設計的驅動橋殼結構,對最終優化設計的零部件進行動力學仿真分析,驗證其動力學性能是否符合要求;最后,試制結構優化設計后的驅動橋殼零件,并通過試驗驗證其使用性能[6-7]。

1.1.3 先進工藝輕量化

先進工藝輕量化技術將材料輕量化和結構輕量化變為產品的重要手段,是銜接材料輕量化和結構輕量化的重要橋梁。拖拉機行業目前采用制造工藝輕量化技術包括液壓成形技術、熱沖壓成形、激光拼焊技術、楔橫軋技術、注射成形及等溫精密塑性成形等。

例如,福田雷沃拖拉機制造公司將熱沖壓成形技術成功應用于拖拉機前后保險杠生產。熱沖壓成形技術是將坯料加熱至一定溫度,然后用沖壓機在相應的模具內進行沖壓,以得到所需外形的一種材料成形方法。通過熱沖壓成形可以得到具有超高強度的拖拉機零部件,在滿足拖拉機正常工作各項要求的前提下,可有效降低車身質量[8]。

1.2 拖拉機部件的輕量化技術

拖拉機部件的輕量化是在拖拉機零件的輕量化基礎上進行的。對拖拉機部件進行輕量化時,需要對部件進行整體力學性能綜合分析與試驗,找出結構強度過剩區域的零件,再采用拖拉機零件的輕量化技術對其進行優化設計。

以拖拉機底盤部件為例,首先,建立底盤部件的三維模型并在有限元軟件中進行網格劃分、施加載荷與約束,通過有限元靜力學分析,得到底盤部件中上的應力危險區域;接著對底盤部件進行模態分析,通過有限元動力學分析,得到底盤部件在模態分析的應力危險區域。由于模態分析中的應力危險區域需要結合靜力學分析結果,因此將靜力學和動力學結果進行綜合對比,找出兩者重疊的應力危險區域,確定需要優化設計的危險零件,如離合器殼、前驅動橋殼、變速箱、前橋支架等零件,在保證底盤部件的綜合性能的基礎上,對需要優化設計的零件采用拖拉機零件的輕量化技術進行優化設計。最后,試制優化設計后的底盤部件,并通過試驗驗證其使用性能。

2 丘陵山地拖拉機整機輕量化技術

2.1 丘陵山地拖拉機整機輕量化技術路線

為實現丘陵山地拖拉機整機輕量化,提出如圖2所示丘陵山地拖拉機整機輕量化技術路線。

1)設定丘陵山地拖拉機整機目標質量, 采用比值法將設定的整機目標質量分解為各系統的目標質量,類似的,采用同樣方法將各系統的目標質量分解為各零部件目標質量。

2)將分解后零部件的質量采用材料輕量化、結構輕量化及先進工藝輕量化進行輕量化設計,對零部件性能指標評估,判斷是否符合零部件的目標質量,若不符合要求重新進行拖拉機零部件輕量化設計。

3)將滿足零部件目標質量的數據輸出,對零部件加工生產試制并進行試驗,驗證試制后零部件性能指標是否達到設計和使用要求。

4)將拖拉機整機進行集成裝配,然后對裝配后的拖拉機進行整機性能試驗,判斷是否符合整機性能要求。若不符合將重新設定整機目標質量;若符合性能要求,進行拖拉機整機輕量化效果評估,輕量化過程結束。

2.2 丘陵山地拖拉機整機目標質量設定

為設定丘陵山地拖拉機整機目標質量,首先選取目標拖拉機機型,從數據庫中調用目標拖拉機機型相關的參數,列出目標拖拉機機型的長x1、寬x2、高x3、投影面積(整機俯視圖投影到地面的面積)x4,單位面積質量(整機質量與長×寬的比值)x5、體積(長×寬×高)x6、密度(整機質量與體積的比值)x7、油耗x8等與整機目標質量關聯度較高的8個變量,并建立目標拖拉機機型的數據庫。

圖2 丘陵山地拖拉機整機輕量化技術路線

對目標拖拉機機型的選定原則參考文獻[9]整車質量目標設定與分解研究,原則如下: ①與丘陵地區工作環境相似的拖拉機;②軸距與目標拖拉機軸距相差±50mm;③制造生產年份近5年內;④排量與目標拖拉機基本相同;⑤配置與目標拖拉機基本相同。

在滿足以上原則的條件下,選擇目標拖拉機機型數量越多,對拖拉機整機目標重量的設定結果越準確。

xij表示不同拖拉機中與整機質量相關的變量,j表示不同拖拉機中與整機質量相關的變量的數量,j取值為1, 2, …, 8。與整機質量相關的變量xij,用矩陣表示為xij=[xi1xi2xi3xi4xi5xi6xi7xi8],則整機質量與整機重量相關變量的關系式為

yi=aij·xijT+a0i

(1)

其中,aij用矩陣表示,aij=[ai1ai2ai3ai4ai5ai6ai7ai8];yi為不同拖拉機的整機質量;i為選取拖拉機的數量;i取值為1, 2, …,n。aij為回歸系數,a0i為常數,利用多元回歸分析法,求得aij和a0i的值。然后,對拖拉機整機質量與整機質量相關的變量進行線性擬合,求得線性相關指數C的值。根據C值的大小,確定影響整機質量的關鍵變量,C值越接近于1,表明該變量對整機質量影響越大。根據式(1)可確定拖拉機整機的目標質量[10-11]。

2.3 丘陵山地拖拉機整機目標重量分解

完成丘陵山地拖拉機整機目標質量制定后,將拖拉機整機質量按系統分解,各系統目標質量的分解采取比值法來進行。比值法是指該系統在整機質量中所占的比重。設Sik代表不同拖拉機i中某一子系統k的比值,i為選取拖拉機的數量,i的取值為1,2,…,n;k為一種拖拉機中的子系統數量,k的取值為1,2,…,t。由于不同拖拉機中的Sik之間存在差異,因此,對不同拖拉機中的Sik求平均值,則有

(2)

(3)

其中,Zik表示不同拖拉機各子系統的目標質量(kg);i為選取拖拉機的數量,i取值為1,2,…,n;k為一種拖拉機中的子系統數量,k的取值為1,2,…,t;yi表示不同拖拉機的整機質量(kg)。

2.4 丘陵山地拖拉機整機各零部件的輕量化

結合零部件的輕量化主要方法,分解到拖拉機整機的各系統,進行各系統中零部件的輕量化設計。

2.4.1 內燃機

內燃機的輕量化方法主要為新材料的應用,包括鎂鋁合金、鈦合金以及陶瓷基復合材料等。內燃機中不同的零件所使用的輕量化的材料也不盡相同:活塞、散熱器、油底殼缸體、缸蓋及曲軸箱采用鋁合金材料,鈦合金材料用于制造發動機氣門、承座、氣門彈簧、連桿、緊固件,陶瓷基復合材料用于活塞、氣門座及陶瓷渦輪等[12]。

2.4.2 底盤

在滿足丘陵地區丘陵山地拖拉機整機的適配性、操縱穩定性、整機動態性能及整機耐用性等方面因素前提下,對底盤上的前橋支架、前橋殼體、離合器殼體、變速箱殼體、后橋殼體及提升座等關鍵零件進行輕量化。其輕量化的方式多采用將材料輕量化和結構輕量化共同結合[13]。

2.4.3 覆蓋件

拖拉機覆蓋件包括機罩和擋泥板,機罩主要用于遮蓋和保護發動機的薄殼總成,擋泥板是設置在輪胎(履帶)上方以擋住飛濺泥水。拖拉機覆蓋件輕量化的主要途徑采用現有拖拉機行業應用的關于覆蓋件的輕量化設計方法:①覆蓋件輕量化材料,即高強度鋼板、鋁合金及鎂合金、塑料及復合材料等應用;②覆蓋件結構優化,即形貌優化、尺寸優化及拓撲優化等方法;③覆蓋件制造工藝,即熱成形、激光拼焊及液壓成形等新型制造工藝的運用。

2.4.4 內飾件

拖拉機內飾件包括:儀表板、拖拉機門內板、方向盤、座椅及地墊等,常采用的輕量化方法主要是復合材料、塑料及金屬輕重合金等。例如,儀表板采用輕量化材料聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈-乙烯橡膠-苯乙烯(ABS),座椅和座椅靠背采用輕量化材料為軟質聚氨酯泡沫塑料( PUR)及PVC人造革,地墊常采用的輕量化材料為橡膠材料、軟質 PVC 板及泡沫塑料[14]。

2.5 丘陵山地拖拉機整機輕量化效果評估

在滿足拖拉機整機性能試驗要求后,對拖拉機樣機進行輕量化效果評估。考慮在拖拉機整機輕量化過程中,有些技術經濟指標對整機的輕量化影響較大。因此,評估思路是確定表征輕量化效果的技術、經濟指標,然后將輕量化前后的指標值進行比較,其中輕量化前的指標為現有目標拖拉機的指標,這些指標由目標拖拉機機型的選定原則和多元回歸分析法確定。通常,表征整機輕量化效果的指標包括整機質量、燃油消耗率、生產成本、整機強度及整機剛度、操作穩定性等,這些指標的值在輕量化前后有的會增大,有的會減小,為了統一,把減小和增大的指標分成兩類。

1)針對指標值減小的指標,則整機輕量化前的指標值為:Pi={質量M前,燃油消耗率C前,生產成本W前…}。整機輕量化后的指標值為:Qi={重量M后,燃油消耗率C后,生產成本W后,…}。其中,i表示輕量化減小指標的數量,i取值為1, 2,…,n。

2)針對指標值增大的指標,則整機輕量化前的指標值為:Pj={整機強度K前,整機剛度L前,操作穩定性N前,…} 。整機輕量化后的指標值為:Qj={整機強度K后,整機剛度L后,操作穩定性N后…} 。其中,j表示輕量化增大指標的數量,j取值為1, 2,…,z。

針對指標值減小的指標,則輕量化效果Ui為

(4)

Ui的值越小,表征輕量化效果越好。

針對指標值增大的指標,則輕量化效果Vj為

(5)

Vj的值越大,表征輕量化效果越好。

根據式(4)和式(5),丘陵山地拖拉機整機輕量化效果表示為

(6)

3 結論

1)將統計學中的多元回歸法運用于整機目標質量設定,提出與整機質量相關的公式,通過相關性指數值的大小,確定影響整機質量的關鍵變量,完成整機目標質量的設定。

2)運用比值法實現從拖拉機整機質量分解到各零部件目標質量的過程,并提出分解整機質量的計算公式,將分解后的零部件進行輕量化設計。

3)為評估丘陵山地整機輕量化技術效果,提出了適用于丘陵山地拖拉機整機輕量化效果評估公式。