就地热再生机组顶升机构力学分析

管延峰 艾宪玲

【摘要】随着我国大量高等级路面进入到维修和改造期，就地热再生机组扮演越来越重要，针对就地热再生机组维修与运输问题，设计一款液压顶升装置，既能满足设备大型维修，又能实现自起降功能，实现与拖盘车对接。基于就地热再生机组现场施工问题反馈，根据机组结构特点，为整车设计安装液压顶升机构，本文提出产品设计方案，生成配套方案图纸，应用SolidWorks软件进行三维模型，导入ANSYS软件进行有限元分析，对产品方案进行力学分析及产品论证，最后验证结果满足产品设计要求，实现就地热再生机组结构优化的目标。

【关键词】现场热再生机组；顶升机构；结构优化；力学分析；有限元模型分析

1 引言

我国高速公路建设已达到相当规模，对于八九十年代的建设工程，目前路面已经开始出现不同程度病害，如裂缝、渗水及车辙等现象，道路养护工作扮演愈来愈重要角色。随着国家政策进一步提出节能环保及可持续发展的发展战略，再生技术是目前推动养护事业向前发展的重要原动力和领头羊，在处理废弃料和节能循环利用领域具有明显优势。现在热再生技术作为再生领域重要一员，其核心技术是就地热再生机组和就地热再生施工工艺，对于机组而言，设备正常运行能够是就地热再生工艺推广前提[1]。

根据现场施工作业情况反馈，由于就地热再生技术具有高温环境恶劣，工作运行周期长，产品零部件不可避免出现问题，因此，跟踪维修工作是就地热再生技术正常开展的重要组成部分。就地热再生机组结构尺寸较大，受一线施工场地制约，特别是出现大修情况，设备调度问题至关重要。基于这方面考虑，本文提出一款液压顶升机构，能够满足设备维修及托运任务，实现产品升级优化。

2 优化方案

2.1 问题阐述

现场热再生技术是将旧沥青路面经过翻挖、回收、破碎、筛分后，与再生剂、新沥青材料、新集料等按一定比例重新拌和混合料，使之能够满足一定的路用性能并用其重新铺筑路面的一套工艺技术，其工艺如图1所示[2]。

基于就地热再生技术施工工艺，目前就地热再生机组一般包括路面加热机2～3臺，路面铣刨机1台，现场面层再生复拌机1台，后续设备摊铺机1台及压实机2～3台（包括钢轮和胶轮），整体机组在100m左右，施工模式根据现场情况及施工需要确定，采用全封或局部封路的形式，对单幅车道进行施工，具有施工作业规模大，机动性较差的缺点；由于就地热再生技术以温度保护为前提，现场作业环境恶劣，尤其是高温对油路及电路系统的破坏，设备故障频发，加上机组自身结构特点，为设备维修工作带来诸多困难，因此，本文从设备机动性较差的角度出发，具有针对性的提出解决方案，提高设备维修工作效率。

2.2 方案提出

本文针对机组机动性差的缺点，根据整车结构特点，设计一款液压顶升机构，安装与车架的两端，其效果简图如图2所示。

图2 方案效果简图

液压顶升机构工作原理：采用工字型设计，分为整体式起升和单端提升两种工作模式，整体式提升适用于整机整体托运的情况，一般用于设备转场，或者机组结构特点不适用拖头的情况；单端提升适用于设备检修工作和便于应用拖头的机组。

结构特点：能够实现横向和纵向伸缩，不影响整体车架结构；

控制系统：采用液压同步控制和单机控制，双向保护，防止车身倾斜造成安全隐患；

3有限元模型分析

3.1 初始设置

模型分析以加热机为背景，本文采用ANSYS10.0软件进行计算。采取空间梁单元模拟车架，并采取相应的简化[，采用顶升机构三维模型进行分析，简化装配缝隙，简化边角处理，简化接触关系。

ANSYS软件组成[3]：前处理模块 求解模块 后处理模块：

力学分析材料理想化假设[4]

○1连续性假设：组成固体的物质不留空隙填充满固体的体积。

○2均匀性假设：固体内各处有相同的力学性能。

○3各向同性假设：在任何一点无论任何方向 固体的力学性能都是相同的

ANSYS分析步骤

○1材料参数设定：采用结构钢材料，弹性模量：E=2.06×1011，泊松比：μ=0.3，质量密度：p=78000N/m3 ；

○2网格划分：采用单元类型20节点三维实体单元；

○3建模方式：顶升机构及车架模型较为复杂，采用Solidworks进行三维建模，导入Ansys中进行预处理；

○4载荷设定：定义车架及顶升机构接触面，由于结构复杂，单独进行力学分析，在承载面添加均布载荷（20t/0.04m2）。

初始条件设定完毕，进入有限元分析[5]。

3.2 结果分析

根据前面初始化前处理，对有限元模型求解结果进行分析，主要通过对顶升机构以及车架力学角度进行论证，从结构形态变化、位移大小、受力情况等方面进行讨论。

图3 结构变形图 图4 顶升机构位移云图

如图3所示，顶升机构受力以后，与初始状态发生明显变化，纵向支腿发生一定角度倾斜，但是横向支承没有明显变化，因此，在纵向铺垫枕木的过程中需要着重注意。

如图4所示，通过位移变形云图显示，综合最大变形位移约2cm左右，变形量在许用范围之内，不会对顶升过程产生负面影响。

图5 顶升机构应力云图 图6 局部受力图

如图5所示，在顶升机构受力负载过程中，其整体结构内部应力较小，最大应力为107MPa，根据材料力学第一强度理论，其许用应力为170MPa，满足材料强度条件。其最大受力点为横向套筒外沿接触处，因此，在后期制造优化过程，应该加强筋板，保护最大受力处。

如图6所示，根据车架整体受力渐变情况效果，显示车架应力最大的部分，在其端部和直接接触部位应力最大，最大应力约为120Mpa，满足材料需用应力。

4 结语

从机组优化角度，根据现场施工情况反馈，提出顶升机构优化方案，以加热机安装该机构为受力分析对象，得到以下结论：

1、 通过对顶升机构有限元模型分析，其应力及位移变形量均在许用范围之内，结构合理，满足该方案实施要求；

2、 通过对车架有限元模型分析，满足力学性能，可以根据现有机组直接进行改装；

3、 从两个方面分析可以看出，结构接触部位，受力较大，因此，设计优化过程需要对其进行针对性加强，防止出现安全隐患

4、 该方案具有可行性和可实施性，对设备结构优化意义重大。

参考文献

[1] 何帆.沥青路面现场热再生技术适用性研究[J].科技信息， 2013（22）.

[2] 庞连南.沥青路面浅谈沥青混凝土路面现场热再生施工工艺[J].科技传播， 2010（17）.

[3] 马奎兴.有限元及ANSYS软件介绍[J].水利科技与经济， 2011（24）.

[4] 刘鸿文.材料力学[M].广州建筑， 2004（4）.

[5] 宋应发.预应力连续箱型桥梁动力特性有限元分析[J].交通世界， 2008（3）.