路缘石滑模机的车架建模及静态分析

赵 静，张 奕，陈 磊

(1.蚌埠学院 机械与电子工程系，安徽 蚌埠 233030；2.秦皇岛烟草机械有限责任公司，河北 秦皇岛 066318)

路缘石滑模机的车架建模及静态分析

赵 静1，张 奕2，陈 磊2

(1.蚌埠学院 机械与电子工程系，安徽 蚌埠 233030；2.秦皇岛烟草机械有限责任公司，河北 秦皇岛 066318)

针对国外某种技术成熟的路缘石滑模机，运用Solidworks软件进行车架建模及其在最不利工况下的静态分析，得到了应力分布图、变形分布图及安全系数分布图。从结果可知，车架的结构满足刚强度，符合设计的要求，为路缘石滑模机车架的自主设计提供一定的理论依据。

路缘石滑模机；车架；建模；应力分布；变形分布；安全系数分布

0 引言

随着城市建设的不断发展，公路路缘石施工质量、效率和机械化程度的要求也越来越高。如何保证路缘石具有高效成型、施工技术简单、刚度强度高、表面光滑等优点，国内学者多对路缘石滑模的施工技术进行研究，取得了一定的成果，但对施工设备的研究存在不足，而国外对路缘石滑模机的设计和制造技术已经基本成熟。路缘石滑模机车架是设备的主要承载部件，在施工过程中要具有满足各种工况的能力，它的设计直接影响到设备寿命及摊铺质量。本文针对国外某种技术成熟的路缘石滑模机，进行车架的建模及其在最不利工况下的静态分析，为路缘石滑模机车架的自主设计提供一定的理论依据。

1 整车介绍

PC200是由美国Curb Appeal 公司研发生产的一种多功能全自动的轮式路缘石滑模摊铺机，它由成型密实装置、车架、操纵控制系统、动力传动系统和行走装置构成[1]，如图1所示。

图1 机器外形

PC200的设计和制造技术已非常成熟，具有优秀的摊铺质量，高效的摊铺速度和紧凑的外观车型，其主要技术参数如表1所示，而国内还无此类型路缘石滑模机的自主设计[2]。

表1 主要技术参数

2 车架的建模

2.1 车架的构成

路缘石滑模机的车架由车身框架和料斗起身机构组成，用Solidwords软件绘制如图2、3所示。钢材选用矩形冷弯空心型钢(H100mm、B50mm、t5.0mm)和方形冷弯空心型钢(B50mm、t5.0mm)，材料为普通碳素钢[3]。

图2 车身框架图

图3 料斗起身机构

2.2 车架的几何模型

采用自下向上的方式建模，首先对车身框架和料斗起身机构独立建模，再由料斗起身机构的一侧通过铰接座安装在车架上进行装配，结果如图4所示。

图4 车架几何模型

2.3 车架的力学模型

在SolidWorks嵌套的COSMOSWorks有限元分析模块中[4]，给几何模型赋予材料属性并施加载荷约束，主要载荷有：发动机200kg，柴油机邮箱满油100kg，泵站油箱满油100kg，及料斗满载1000kg，车架及液压缸共重610kg，阀块、软轴等小部件的重量忽略不计。分析车架在最不利工况(起升机构到达最大高度，料斗满载并转弯作业)下的载荷，加载作用在支撑板表面，如图5所示。

图5 车架的力学模型

2.4 车架的有限元模型

在COSMOSWorks有限元分析模块中，车架的网格划分采用的是二阶实体四面体单元，单元大小16.2611mm，公差0.81305mm，网格划分较细[5]。车架的有限元模型网格划分结果如图6所示。

图6 网格划分结果

3 车架的静态分析

3.1 应力分布

车架的应力分布如图7所示。由图可知车架大部分区域的应力水平偏低，最大应力点在下图箭头标示处(料斗机构前侧杆的内板上部)为147Mpa，小于车架材料普通碳素钢的屈服极限220Mpa。

图7 应力分布

3.2 变形分布

车架的变形分布如图8所示，可知车架变形较大的区域主要在料斗机构处，最大变形在下图箭头标示处(料斗机构前侧杆底部)为1.57mm，属于小变形范围。

图8 变形分布

3.3 安全系数分布

车架的安全系数分布如图9所示。由图可知车架有少数区域安全性较低，最小安全系数点在下图箭头标示处(料斗机构前侧杆的内板上部)为1.50，大于安全系数的极限值1，属于安全范围内。

图9 安全系数分布

4 结论

由静态分析结果可知，即使在最不利工况下，车架的应力、变形和安全系数均在允许范围内，说明机架的结构满足刚强度，符合设计的要求，可按照此结构进行生产加工。根据静态分析输出结果也可对机架结构进一步优化设计，结构薄弱处进行加强设计(如增大截面、更换高性能材料、增加加强肋)，结构安全处进行削弱设计(如减小截面、更换低性能材料)，但势必会增加加工难度和制造成本。

[1] MBW Inc. Concrete curb and gutter slipform payer operating instructions C100 C101 CG200[M].New York: Prentice-Hall Inc,2009.

[2] CURB APPEAL USA. Operations manual pro curb series PC400/PC600 slip form pavers[M].New York: Prentice-Hall Inc,2009.

[3] 单辉祖.材料力学[M].北京:高等教育出版社,1999.

[4] 徐海军,张武军.SolidWorks 2008中文版三维建模实例精解[M].北京:机械工业出版社,2008.

[5] 张奕.PC200路缘石滑模机关键技术研究[D].秦皇岛：燕山大学,2010.

(责任编辑：孙文彬)

Frame Modeling and Static Analysis of the Slipforming Curb Machines

ZHAO Jing1，ZHANG Yi2，CHEN Lei2

(1.Mechanical and Electronic Engineering Department, Bengbu University, Bengbu Anhui 233030, China;2. Qinhuangdao Tobacco Machinery Co., Ltd., Qinhuangdao Hebei 066318, China)

The paper aims at a certain foreign slipforming curb machine with mature technology. A modeling frame and its static analysis under the most unfavorable conditions were conducted via Solidworks software to finally obtain the distribution patterns of stress, deformation and safety coefficiency. The results showed that the frame structure met rigidity and intensity, and conformed to requirements of the design. Such results provided certain theoretical basis for the impendent design of slipforming curb machine frame.

slipforming curb machine; frame; modeling; stress distribution; deformation distribution; safety coefficient distribution

2015-09-12

蚌埠学院自然科学项目(2013ZR02zd)

赵静(1986-)，女，安徽蚌埠人，助教，主要从事机械设计及理论研究。

U415.5

A

1009-7961(2015)05-0012-03