基于ANSYS履带引导轮总成吊具的设计

杨 涛，刘志忠，杨永茂，程旺延

（中联重科股份有限公司 渭南分公司，陕西 渭南 714000）

0 引言

随着履带式工程机械的蓬勃发展，履带挖掘机、履带起重机等大型设备生产制造的数量越来越多，生产厂家都投入先进的组装流水线以提高生产效率。由于生产装配作业时，工程机械零部件质量大、结构复杂，其转运和吊装都需要专门的吊具，因此针对特殊部件设计合理的吊具，可有效地提高整个工程机械转配的安全性和高效性。由于引导轮总成所特有的形状、质量和重心分布等特殊因素，普通的吊具难以一次装夹完成。目前企业内挖掘机装备车间在装配引导轮总成时，需工人用钢丝绳两次吊装才能够将引导轮总成装配到位，该装配方法稳定性差、效率低、安全隐患大，限制了整条装配流水线的作业进度，从而降低了企业生产效率。为解决上述存在的实际问题，本文设计了用于装配履带引导轮总成的新型吊具。

1 吊具的设计原理

引导轮总成示意图如图1所示，该总成主要由引导轮和涨紧装置两部分构成，总成的重心在Q1处。在未采用专用吊具时，吊装过程通过钢丝绳进行吊装，为保证工件不脱落，将钢丝绳靠近引导轮侧，其吊装力为F1，此时工件的受力情况为：履带引导轮总成的重力G作用在Q1点，吊装力F1作用在Q2点，由于重力G与吊装力F1不在同一轴线，因此吊装工件时工件的重力G会产生一个旋转力矩M1＝G×L1，这样当工件被吊起时，就会旋转一定的角度，使吊装力F1与重力在同一直线上，造成吊装时不稳定从而由于工件倾斜导致与下车架装配时操作比较困难。针对目前存在的问题，在设计专用吊具时需要保证其吊装力F1与工件的重心重合（如图2所示），使工件吊装过程中处于平稳状态，一次吊装即可，从而提高组装效率。

2 专用吊具结构设计

专用吊具主要由C型吊具和尼龙板组成，C型吊具用于工件的起吊，其吊耳板上的各孔为适应20t不同机型引导轮总成吊装；尼龙板的作用是防止C型吊具滑脱。

C型吊具结构如图3所示，主吊板3是具有一定宽度的L形板体，其上面焊接吊耳板1，外侧面焊接左侧限位板4和右侧限位板6，内侧面焊接加强筋2和支承块5。

图1 引导轮总成示意图

图2 专用吊具示意图

图3 C型吊具结构图

3 吊具的使用

在实际装配中，根据不同型号的引导轮总成，选取吊耳板上对应的吊装孔。将C型吊具用行车吊起插入引导轮总成中间间隙处（如图4所示），再将尼龙板插入，使C型板吊具的支承块与涨紧装置紧密贴合，尼龙板与引导轮接触（如图5所示）。由于引导轮总成重心与吊装孔在同一竖直位置，从而确定了引导轮总成在吊运时始终处于水平位置，不致倾斜或偏载侧翻。待引导轮总成装入履带架后，再按与吊具安装相反的步骤将吊具取出。

4 C型吊具结构分析

4.1 建立模型

采用三维造型软件Pro／E对引导轮总成吊具进行三维模型创建，为了将模型导入ANSYS中，需将建立好的模型导出为IGES格式的实体文件。IGES（Initial Graphics Exchange Specification）是一种常用的几何转换格式，常用于在不同的CAD和CAE系统之间交换几何模型。导入后的全局坐标系与Pro／E中建立模型时的坐标系一致。

图4 C型吊具插入总成

图5 尼龙板插入总成

4.2 添加材料

吊具采用Q345材料，其屈服极限为345MPa，弹性模量为2.1×1011Pa。

4.3 划分网格

吊具用钢板焊接而成，采用四面体网格划分法（Tetrahedrons）划分网格，四面体网格可以施加于任何几何体，可以快速、自动生成，在关键区域容易使用曲度和近似尺寸功能自动细化网格，可以使用膨胀细化实体边界附近的网格，边界层有助于面法向网格的细化。

四面体网格尺寸控制（Sizing）中的Element size选项设置为8mm，最终形成的有限元模型规模为：节点数17 537，单元数9 439。C型吊具划分网格后的效果如图6所示。

4.4 施加载荷和约束

吊具在正常工作中的受力情况比较简单，支承块5承受引导轮总成的重力，吊耳板1承受的力为引导轮总成与吊具的重力之和，主吊板3内侧受到引导轮总成约束，外侧受到尼龙板的约束，为了便于施加约束，在C型吊具的内外侧根据接触面积大小制作面印记（Imprint face），完成吊具的载荷施加和约束，如图7所示。

图6 C型吊具网格效果图

图7 C型吊具受力分析图

4.5 结果后处理

对该吊具进行有限元分析计算求解，并运用ANSYS后处理模块进行数据处理，获得了该吊具应力分析云图，如图8所示。由应力分布情况可知，最大应力点在吊具内侧板与加强板的链接处，为σmax＝81.597MPa，远远小于材料的屈服强度345MPa，从而求得吊具的安全系数为n＝4.22，符合安全吊运的要求，因此该吊具的结构强度能够满足使用要求。

图8 应力分析云图

5 结论

对履带引导轮总成吊具进行有限元分析，得出吊具的应力分析云图，通过分析可以直观地得出吊具的受力情况，为结构的优化设计提供依据。利用ANSYS Workbench进行结构分析，可以大大缩减设计人员的产品开发周期，降低制造成本，提高生产效率。并通过本厂现场的试验认证，本吊具能够提供一种履带式引导轮总成在狭小空间作业时，可以快速高效安全的吊装作业方法。

［1］ 浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［2］ 尚晓江，邱峰，赵海峰，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［3］ 张晓辉.基于ANSYS的挖掘机动臂吊具的有限元分析［J］.企业技术开发，2011（14）：114－115.

［4］ 纪玉新.基于ANSYS分析的支撑座结构优化设计［J］.机电技术，2011（3）：126－129.