基于Pro E建模及CAE分析的中型挖掘机设计分析

姚金梅

(上海三一重机股份有限公司,上海200000)

1 相关零部件选型

1.1 新机器与母型机对比

某中型Tier 4 final液压挖掘机开发以满足Tier 3排放的SY215C9C3KL机型为基型机，采用康明斯Tier 4 final排放发动机及后处理系统，以满足安装完成后的整机排放要求，新款机器在基型机基础上改进、优化，本文主要针对如下几个变动点进行阐述：

（1）发动机采用康明斯QSL9 Tier 4 final排放发动机。

（2）发动机后处理系统采用DOC+DRT+SCR技术方案。

（3）合理布置后处理系统以及尿素系统零部件及其管路。

（4）散热器重新选择除湿式散热器，尺寸加大。

1.2 排气系统选型

排气系统与基型机相比主要是增加后处理装置DOC+DRT+SCR，及尿化系统，DOC将颗粒物中主要含有的HC及CO等未完全燃烧物转化为水和二氧化碳，尿化系统SCR可以进一步降低NOx的排放。根据康明斯要求：尿素罐最小可用容积为燃油箱可用容积乘于0.045 ，其中0.045 为燃油消耗尿素比率，按此要求计算：尿素罐最小可用容积 为燃油箱可用容积*0.045 ，即为燃油箱容积*0.75 *0.045 ，然油箱容积为340L，因此尿素罐最小可用容积为340L*0.75 *0.045 ，即11.475 L尿素罐最小容积为尿素罐最小可用容积/0.75 ，即15.3 L，尿素罐供应商Shaw提供的尿素罐最小容积均为5加仑（18.9 L）。因此选用容积为5加仑（18.9 L）的尿素罐满足康明斯要求。同时，燃油箱可支持机器运行小时数为燃油箱可用容积/小时油耗即燃油箱容积*0.75 /小时油耗，340L*0.75 /24.65 ，计算结果为10.34 hr，满足北美客户每天操作机器不多于10小时，每天加一次油的要求。

最终根据三维设计尺寸，及相关的性能要求，确定一套三一美国shaw公司的后处理尿化系统零部件选型。

1.3 散热器的选型

为了匹配康明斯新型发动机及其尿化系统，散热器的设计思路如下：

（1）冷风侧风速：考虑风阻，芯体厚度控制在145,风速控制在6.5 m/s左右。

（2）外翅片选择：防堵方面，不采用错齿、开窗翅片，不采用小波距翅片；散热风阻方面，采用风阻小的翅片。

（3）根据计算，确定散热器前端风速，根据散热器风阻，得到风扇的P-Q要求。

（4）根据进风风速，输入设计条件，选择散热器翅片与管道配比，内外翅片，计算输出散热器的性能参数。

由于康明斯发动机要求使用除气式水散，最终选用扬州通宇散热器有限公司散热器ZH950×150×1020-S100Y55Z25，增加了具有除气功能的副水箱散热器。

2 3 D模型建立

2.1 后处理系统三维模型建立

康明斯搭载要求如下：

（1）排气阻力＜32KPa。

（2）涡轮增压出口到DOC入口温度降＜20℃，涡轮增压出口到SCR入口温度降＜40℃。

（3）后处理振动要求：正常工作＜7.9 G，冲击载荷最大不得超过24G,冲击载荷超过10G，30分钟内不得超过6次。

（4）后处理漏气要求：从DOC入口到SCR出口压力4.5 psig时泄露量小于1.5 scfm(3.87 L/min)。

（5）尿素解冻要求：-11℃以下需要解冻。

2.2 后处理系统在回转平台上的布局

根据整机布局及相关的性能要求，后处理系统三维模型如图1所示，此三维模型有如下优点：

（1）新机型的可维护性主要体现在保养件及后处理新增零部件的可维护性，新增尿素罐要方便尿素加注，打开右门就可以完成相关保养。尿素罐的安装结构更简化、轻便，便于尿素罐的拆装。

（2）后处理系统尿素泵通过安装支板装在SCR-DRT-DOC系统的四个支柱上，一体连接，保证连接尿素泵与SCR系统的尿素喷射管的连接稳定性。

（3）四根支柱为直角弯板，中间有圆弧槽，这样中间窄，两头连接处比较宽，保证连接稳定性，同时节省空间，下端焊接安装板，通过三个孔与回转平台上的支撑板连接，保证稳定性，同时在支柱上焊接带孔安装板，用来安装门和尿素泵，本实用新型所提供的安装立柱，不仅对后处理系统加强支撑的作用，同时为挖掘机右门安装提供安装孔位。

（4）SCR后处理系统的尿素泵固定结构使尿素罐和尿素泵一体化，从而优化整车上SCR系统的布置及尿素管路的布置，结构紧凑、降低了成本。

（5）独立设置的尿素存储罐和尿素计量喷射泵组合成一个整体，简化了SCR系统在整车上的安装布置，使尿素存储罐至尿素计量喷射泵之间的尿素吸液管和尿素回液管管路的长度不再随尿素计量喷射泵安装位置的变化而变化，减少了部件之间的连接管路，既有利于尿素管路的批量化生产，同时由于管路的明显缩短而节约了大量成本、方便安装。

2.3 回转平台模型

回转平台的模型设计应最大限度的采用标准件、通用件、借用件，已提高设计的继承性和产品的标准化程度；采用自顶向下的建模方法，首先利用Pro/E完成总体骨架的建立，然后完成零部件的设计；最后通过骨架装配关系完成三维模型的搭建，零部件间进行合理的约束[3]。相对于基型机，左平台驾驶室安装处、主平台左右梁及回转马达安装位置和右平台大部分零部件均借用基型机，新增DOC+DRT+SCR系统，设计新型固定部件。

2.4 全新辅助管路系统

相对与母型机，优化液压系统，采用全电控比例液压剪回转系统，采用发动机PTO+定量齿轮泵+电磁比例换向阀+滑移键多功能短手柄方案，实现液压剪回转的比例量控制。液压剪回转马达由齿轮泵单独供油，解决了复合动作时整车动作慢，动作不协调的问题（液压剪回转和上车共用前泵流量）。

全电控快换控制系统，同时匹配全新开发带减压功能的两位四通快换阀，能满足不同压力快换器的应用，同时减压阀为电控阀，显示屏可以直接设置压力，无需手动调节。

3 模型有限元分析

3.1 有限元分析流程

通过ANSYS Workbench与Pro/E的接口设置将两种软件集成，从而实现无缝对接，尽可能保证导入模型的准确性；回转平台的有限元分析主要包括前处理、载荷施加和边界条件设置、计算和结果分析三部分[4]。在Pro/E中将模型导出为*.x_t格式的文件，在画出焊缝及对模型进行简化。

3.2 边界条件

后处理支架部分，材料为SS400P，四个立柱的板厚为5mm，发动机DOC及DOC支架的重量为29KG，发动机SCR及SCR支架重量为47KG，发动机DRT及DRT支架重量为7.23 KG，振动加速度上下方向取10g。散热器支架板厚为6mm，对应支撑板为10mm。材料为Q235B，相对于基型机，因后处理为新增部件，散热器由原来的170增重至201KG，特对此两部位做分析。

后处理支架采用两种约束方案，每个方案分别计算两种工况的静态应力应变，即工况一：向下加载10g+向左2g+向前2g；工况二：向下加载10g+向右2g+向后2g。散热器支架约束其连接板与平台连接部位，施加散热器重力230g。

3.3 有限元分析结果

有限元分析结果输出，处理支撑应力云图中可以看出，两种工况，底部上部全约束，底部全约束、上部自由，底部全约束、上部自由，最大应力为226.38 MPa。

相关重点相关应力数据见表1。

从散热器支撑板的分析云图最大应力为43.642 MPa。

3.4 后处理支撑与散热器支撑板相关结果分析与总结

3.4.1 通过对此中型液压挖掘机后处理支撑强度分析，其最大应力值为226.38 MPa，而材料的屈服极限为245MPa，满足强度要求，对结构影响不大。

3.4.2 通过对此中型挖掘机散热器支架分析，其最大应力发生在散热器支架与平台连接处，为43.642 MPa，量值维持在较低水平，远小于材料的屈服极限235MPa，静强度满足要求。

4 结论

本文根据某中型Tie4f新型挖机开发过程，根据开发要求，对相关零部件进行选型，运用Pro/E软件回转平台上进行整体布局和建模，完成挖掘机零部件的设计和挖掘机的装配，运用该软件模型分析功能，为有限元分析提供计算边界条件。本文将传统设计方法和现代有限元分析手段相结合，运用ANSYS Workbench对回转平台结构进行载荷计算和有限元分析，在基型机回转平台的基础上，对变化的部分进行有限元分析，通过分析结果，得到了最大变形和最大应力云图，使得复杂结构的分析更加简单、便捷。整机下线，通过实际的应力测试，及相关的性能实验，验证设计满足性能及强度要求。设计初期提前线上分析设计，很多问题提前发现，在模型设计阶段及时处理对策，以免在样机线下试验发现，再解决，这样省时省力，缩短产品开发周期。