（中铁工程机械研究设计院有限公司，湖北，武汉，430066）
【摘 要】本文介绍了一种伸缩式皮带机专用底盘结构的设计计算，基于ANSYS理论，有效运用有限元分析手段模拟现场结构的特点，描述了计算过程中的主要方法，提出优化方案，对进行大型结构的计算有一定的指导意义
【关键词】伸缩式皮带机；底盘；优化设计
1 概述
TDJ50型底盘是中铁工程机械研究设计院为50m伸缩式皮带机专门设计的一种托运上车回转机构及布料机构的运输车辆。伸缩皮带机是在普通的带式输送机上增加了伸缩机构，使得皮带机可以在长度方向上自由伸缩。它大大的缩短了人工往返搬运物料的距离，缩短装卸料时间，降低劳动强度，降低装卸成本，提高工作效率。由于伸缩皮带布料机构全伸状态下，重心前移，而运输工况下，伸缩皮带面料机构必须全缩，重心位置变化较大，因此对皮带机的底盘就提出了较高的要求，既能保证全伸状态的布料工况，又能保证运输工况下行驶稳定。
目前，该伸缩式皮带机底盘已完成所有设计制造，并在现场与上车部分连接使用，运行平稳可靠，底盘稳固，运输方便，如下图所示：
2 主要结构特点
TDJ50型底盘主要由车架、转向系统、支撑系统、走行轮组、液压系统、电气系统、制动系统、动力系统和司机室等组成，如图1所示，其主要结构特点如下：
图2 TDJ50型底盘结构图
1）车架主要由主梁、心盘梁、连接梁、伸缩支腿几部分组成，该车体结构具有承载大、刚性好、结构简明等优点。伸缩支腿结构主要功能是胎带机作业状态下伸缩腿伸出、支撑腿撑地来确保整机的下部支撑。一副车架上总共有两套伸缩支腿，分别位于车架前后两端。
2）走行轮组共有3根轴线、6组轮轴，其中2个驱动轮轴，4个驱动轮。行走控制液压系统：通过操纵位于司机室的脚踏板自动连续调节油泵排量，来达到无级调速及改变运输车的行驶速度的目的，同时也可以使运输车在启动或停车时走行速度保持平稳的变化。
3）本设备动力系统使用柴油机为液压系统提供动力，同时在柴油机上集成气泵，为气制动系统提供动力。
4）本车的主控单元采用芬兰EPEC公司的工程车辆专用的电液控制器，该控制器专门针对液压系统开发设计，稳定性高，功能强大，抗干扰能力强等特点，整机走行使脚踏电子油门，实现无级调速发动机转速和主泵排量，实现发动机和主泵的动力匹配，并能有效节省燃油。
3 车体结构设计计算
车体结构作为底盘的主要承载部件，在整机结构设计计算中起着至关重要的作用。
3.1整机模型分析及方案确定
TDJ50型底盘主体结构为车架部分，要了解底盘在各工况下车架实际受力情况，首先得分析在各工况下，回转支撑上方所有构件的综合重心位置。确定重心位置之后，先用梁单元在最大载荷工况下查看截面受力情况，以确定主要结构截面形式及板材情况。
该底盘上车部分布料机构能够在360°范围内任意位置进行布料，布料机构布料时由底盘车架上的伸缩支腿伸至最外端，以保证整车稳定性。当布料机构旋转至一定角度时，此时四腿不均衡性最突出，单根支腿支反力最大，同时也是整车受力最恶劣工况。初定梁单元截面和形式，按此工况下计算结果如下：
由图2和图3所知，主要受力大的位置为伸缩支腿处，而车架受力情况只有少许位置超出许用范围，可以采取局部加强的措施。因此，确定车架主体结构徐伸缩支腿外全部采用Q345C的板材，而伸缩支腿以及伸缩支腿与车架连接处小范围内采用Q690材料以节约成本和减轻重量。
3.2模型简化
经梁单元确定车架基本结构和截面形式后，再用板单元核算各工况下计算结果，对构件薄弱处进行局部加强，伸缩支腿处采用Q690材料，为避免其最大应力显示在支腿处，将伸缩支腿截面进行合理简化，最终确定模型如下：
图5 板单元结构有限元模型
在本次计算中，不同计算工况边界均不相同，考虑到重心位置确定对计算结果有至关重要的影响，而计算对象模型为简化后所得，因此将调整模型密度以达到实际底盘总重45T，以便计算结果更接近实际值。
3.3边界施加
由整机工作状态确定四种主要工况进行核算，分别是工况一：运输工况，即上车伸缩臂架全缩，处于运输状态；工况二，布料臂架沿车架长度方向外伸至最远端布料；工况三，布料臂架旋转至与车架长度方向垂直，外伸至最远端布料；工况四，布料臂架旋转至与支腿油缸对角连线垂直方向，外伸至最远端布料。通过各工况重心位置计算得伸缩支腿支撑油缸各支反车如下表所示：
3.4计算结果及分析
由于计算工况较多，仅将工况一和工况四下单元平均应力云图显示如下：
计算结果汇总如下表所示：
由上表可知，最大单元平均应力为263MPa，最大应力位置在伸缩支腿与车体连接处，此处采用板材Q690D，强度满足要求，除此处之外，最大单元平均应力为200MPa，由于其余结构均采用板材Q345C，强度也满足要求。最大挠度值为50.71mm，刚度满足要求。因此，此次有限元计算结果通过，强度、刚度在此四种工况下均满足使用要求。
3.5伸缩支腿结构分析
由于伸缩支腿受力情况恶劣，所以在车体建模计算时对伸缩支腿处进行了相应的简化，避免车体其他结构受力情况无法正常显示。而且，伸缩支腿由于承载力大，采用Q690材料进行制作，其最大应力许用值与Q345材料有很大区别，因此伸缩支腿部分必须作为一个重要构件进行单独核算。从前期工况分析中得知，单个支腿最大受力为67.02T，因此只用计算这一种工况即可。
伸缩支腿作为一个重要构件，主要由内外套组成，可整体计算，也可单独核算，为求计算准确直观，本计算将内外套单独进行核片，将外套计算结果显示如下：
图8 伸缩支腿外套单元平均应力
由上图知，伸缩支腿外套最大单元平均应力为401MPa，采用Q690材料，则其许用应力为690/1.33=519MPa，因此外套符合设计要求。
4 结语
本次底盘结构的设计巧妙地运用有限元不同计算单元，实现方案的确定，细节的优化。这种计算程序和方法不仅节约了有限元优化的时间，同时可以确定计算的重点，对于局部受力大的构件或板材结构单独进行处理和计算，节约了整机结构件的成本，减轻了重量，对于大型结构的计算和优化有一定的指导意义。
参考文献：
[1]尚晓江，邱峰. ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用.北京：中国水利水电出版社，2008.
[2]张质文，虞和谦等. 起重机设计手册.北京：中国铁道出版社，1998.
[3]纪爱敏，彭铎，刘木南. 在种工况下大型吊臂的有限元分析.天津：工程机械，2006年第2期.
论文作者:欧阳博涵
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年2月供稿
论文发表时间:2016/5/25
标签：工况论文; 伸缩论文; 底盘论文; 车架论文; 结构论文; 布料论文; 车体论文; 《工程建设标准化》2016年2月供稿论文;