16.5 m摊铺机熨平板装置静刚度有限元分析

吕胜权，钟 飞，朱 海

（徐工集团工程机械股份有限公司道路机械分公司技术中心，江苏 徐州 221004）

沥青摊铺机可以完成沥青混合料的摊铺、预压实或最终压实。熨平板是沥青混凝土摊铺机的核心工作装置，主要实现对沥青混凝土的整平和预压，其结构动静态特性的优劣会直接影响到摊铺路面的质量［1-2］。摊铺作业时，熨平板装置通过大臂连接板与主机相连，熨平板装置是在受力平衡状态下浮动于沥青混合料上，底板的工作形态反映到摊铺路面上，沥青路面摊铺质量与摊铺机熨平板的平直性存在直接关系［3-4］。由于熨平板装置受到混合料对底板的摩擦阻力及熨平板移动阻力形成总的工作阻力，熨平板刚度过小易产生扭曲变形，使熨平板宽度上的仰角衰减严重，并对摊铺后路面的平整度和密实度直接产生影响［5］。大臂提起时，熨平板装置在自身重力的作用下，两端产生向下的垂向变形和横向扭转变形，熨平板应具有抵抗这种变形的能力，以确保不会产生过大的变形［6］。因此，熨平板应具有足够的强度和刚度，实现在使用周期内不产生变形和疲劳断裂。

本文依据摊铺机熨平板装置的实际结构，建立有限元模型，模拟实际载荷边界条件，对熨平板装置进行设计校核，识别刚度和强度的薄弱区域，为熨平板的结构优化、改进提供理论依据。

1 熨平板框架结构力矩刚性测量

熨平板框架结构纵向力矩刚性分析，在施加一定的载荷条件下，通过测量加长段端面相对基础段中间截面的倾斜角来完成。具体的测量原理和方法如图1所示。

图1 力矩刚性测量方法Fig.1 Schematic diagram of torque rigidity measurement method

相对倾斜角计算公式如下：

式中：c1为基准面上的点；c2为端面上的点；c′2为变形后端面上的点。

2 有限元模型建立

2.1 有限元网格划分

熨平板装置的结构复杂，若直接进行网格划分，会导致整体网格质量的降低，产生的网格数量较大。模型简化应遵循以下原则：①忽略熨平板结构的倒角、凸台和圆角等；②去除对整体性能影响较小的功能附件；③忽略对模型强度影响较小的孔洞、螺栓孔等。

图2 熨平板三维实体模型Fig.2 Three-dimensional solid model of paver screed

对熨平板装置几何模型网格划分时，将各部件均视为各向同性材料，对箱体板件类进行抽中面及面网格划分，对形状不规则、存在复杂连接关系的关键结构件进行三维实体网格划分等，共为熨平板装置划分网格11 458 871 个单元，6 788 633 个节点。

2.2 材料属性定义

对熨平板装置网格模型赋予材料属性——密度、弹性模量、泊松比。熨平板的主体材料为Q345，材料属性如表1所示。

表1 熨平板材料属性Tab.1 Material property of paver screed

2.3 边界条件设置

2.3.1 工作阻力计算

熨平板装置的工作阻力Fy［7］为

式中：Fy1为沥青混合料对熨平板底板的摩擦阻力；Fy2为熨平板装置推移沥青混合料的移动阻力；T为熨平板系统的质量；μ1为沥青混合料与熨平板底板的摩擦系数；B为熨平板装置推移混合料的长度，本研究对象为机械加宽熨平板装置，取其最大摊铺宽度16.5 m；L为料槽的宽度；H为熨平板装置推移混合料的厚度，等于沥青混合料埋住螺旋分料器上沿高度减去摊铺厚度；γ为料槽中沥青混合料的密度，本文取1 520 kg/m3；μ2为沥青混合料的内摩擦系数，沥青混合料取1。

根据式（2）、式（3）计算出熨平板的摩擦阻力为3 550 N/m，物料阻力为3 575 N/m。

2.3.2 大臂提起工况

约束大臂连接板的所有自由度，各零部件之间使用刚性单元连接或建立接触关系，对模型施加垂向的重力加速度9 810 mm/s2，如图3所示。

图3 大臂提起工况熨平板装置有限元模型Fig.3 Finite element model of paver screed at arm lifting

2.3.3 沥青摊铺工况

约束大臂连接板的所有自由度，各零部件之间使用刚性单元连接或建立接触关系；为模拟真实工作阻力的作用状态，将摩擦阻力和物料阻力均转换为面载荷形式施加，对前板单元施加沿垂向线性变化的物料阻力0.009 055 MPa，对底板各节点纵向施加均匀的摩擦阻力0.709 914 N，如图4所示。

图4 沥青摊铺工况熨平板装置有限元模型Fig.4 Finite element model of paver screed at asphalt paving

3 熨平板装置刚度有限元模拟

熨平板箱体框架为多段式的焊接组件通过螺栓连接组成。焊缝连接区域使用刚性单元或实体单元连接，螺栓孔使用刚性单元连接，拉杆总成中的铰接处建立接触关系或刚性单元耦合（释放相应的转动自由度），振捣机构、振动机构的连接关系使用刚性单元连接和质量点替代。

在熨平板装置调试阶段，大臂提起时，由于自身重力作用熨平板框架结构产生垂向和扭转变形，影响熨平板平直性、平面度、预拱度调整；摊铺作业时，由于物料阻力、摩擦阻力作用产生的纵向和扭转变形，影响熨平板装置的进料仰角大小。在前板物料纵向接触表面产生向后的作用力，又因熨平板装置横截面形状的不规则和拉杆的布置不对称等，使熨平板框架结构产生纵向的弯曲变形和沿横向的扭转变形，且摊铺宽度越大，变形对路面的影响更为明显。因此，本次主要对在大臂提起和沥青摊铺作业工况下的刚度进行模拟分析。

3.1 大臂提起工况刚度分析

由图5可以看出，由于大臂连接板与主机固定连接，使基础段内部出现向上的弯曲变形，在基础段与加长段1连接区域的变形幅度最大。熨平板框架结构的最大垂向弯曲变形位于加长段端面11.39 mm，最小弯曲变形位于基础段的中间截面-1.342 mm，经计算可得垂向弯曲角度为0.001 54°。

图5 大臂提起工况熨平板装置垂向位移云图Fig.5 Vertical displacement distribution of paver screed at arm lifting

由图6 可以看出，由于熨平板装置前端面的重量大于后端面，使底板前端面的垂向变形量均大于后端面，且随加长段的增加差值呈逐渐增大趋势。

图6 大臂提起工况底板前端面和后端面垂向变形曲线Fig.6 Vertical deformation of floor front and back face at arm lifting

由图7 可以看出，在自身重力作用下，熨平板框架结构存在扭转变形，沿横向随着加长段的增加扭转变形量呈逐渐增加趋势，经计算可得最大扭转角度为0.003 21°。

图7 大臂提起工况熨平板装置扭转位移云图Fig.7 Torsion displacement distribution of paver screed at arm lifting

3.2 沥青摊铺工况刚度分析

由图8 可以看出，由于大臂连接板与车架固定连接，使基础段出现前进方向的弯曲变形，在基础段与加长段1 连接区域的纵向变形幅度最大。熨平板最大纵向弯曲变形位于加长段端面9.524 mm，最小弯曲变形位于基础段的中间截面-0.595 9 mm，经计算可得熨平板框架结构的纵向弯曲角度为0.001 23°。

图8 沥青摊铺工况熨平板装置纵向位移云图Fig.8 Longitudinal displacement distribution of paver screed at asphalt paving

由图9 可以看出，由于物料阻力和摩擦阻力沿横向均布作用于前板和底板，使底板前端面与后端面的纵向弯曲变形曲线基本重合，且均是随加长段的增加呈逐渐增大趋势。

图9 沥青摊铺工况底板前端面和后端面纵向变形曲线Fig.9 Longitudinal displacement of floor front and back face at asphalt paving

由图10 可以看出，在物料阻力和摩擦阻力作用下，底板产生沿合力方向移动，由于大臂连接板与车架的固定连接，大臂两侧区域刚性相对较大，使基础段和加长段沿横向远离大臂的纵向弯曲变形呈逐渐增加趋势。因加长段后端面的刚性相对前端面弱，导致大臂两侧基础段和加长段的变形存在滞后现象。

图10 沥青摊铺工况底板前端面和后端面垂向变形曲线Fig.10 Vertical deformation of floor front and back face at asphalt paving

由图11 可以看出，由于物料阻力和摩擦阻力的合力与大臂连接板之间形成弯矩和旋转扭矩，使熨平板产生扭转变形，经计算可得熨平板框架结构端面的最大扭转变形量为0.000 664°。

图11 沥青摊铺工况熨平板装置扭转位移云图Fig.11 Torsion displacement distribution of paver screed at asphalt paving

4 结论

（1）大臂提起工况时，基础段内部出现向上的弯曲变形，熨平板装置的垂向弯曲变形随加长段的增加呈逐渐增大趋势，在基础段与加长段1 连接区域的变形幅度最大；熨平板装置的扭转变形沿横向随着加长段的增加呈逐渐增加趋势，表明加长段1增加到一定数量，在基础段与加长段1 的连接区域易于出现损坏，且扭转变形对熨平板装置的进料仰角大小的影响增大，增加了对路面平整度、密实度等的影响程度。

（2）沥青摊铺工况时，基础段存在前进方向的弯曲变形，基础段和加长段沿横向远离大臂连接板的弯曲变形和扭转变形呈逐渐增加趋势；大臂两侧的基础段和加长段的变形存在后端面相对前端面的滞后现象，表明基础段和加长段后端面的刚性有待提高，避免对熨平板装置调整难度及摊铺质量的影响。