拖拉机用油底壳强度分析与研究

随着农业的发展，机械化程度的不断提高，拖拉机走入平常农户家，为农业生产效率的提高发挥着巨大的作用。农业拖拉机所面临的作业种类包括牵引、悬挂并驱动各种配套农机具，完成多种农田作业、运输作业和固定场地作业，作业种类繁多，作业负载多变。

发动机不仅作为农业拖拉机的动力源，还要在整车系统中承担大梁的作用，多数通过油底壳与车桥相连，油底壳承受较大的弯矩。因此油底壳除了储存机油和密封机体以及收集从各摩擦副流回的润滑油外

，还需要承受发动机的重量以及前桥的扭转力矩、配重的水平弯曲力矩，起承前启后的作用。因此，油底壳的强度对整车的结构可靠性起至关重要的作用。另外，四轮驱动的拖拉机还要求油底壳为整车传动轴避让空间，更增加了拖拉机用油底壳设计的局限性。

随着仿真模拟手段的日益成熟，CAE技术普遍应用在机械制造业。通过CAE仿真分析，能够对设计有一定的预见性，准确的找到结构设计的风险点，可提高设计人员的工作效率，并节省大量的样件成本，为设计者优化结构提供思路等优点。

国内某公司面向农业市场设计了一款拖拉机用发动机，本文使用Creo、 HyperMesh、Abaqus等CAE软件对拖拉机用油底壳进行结构强度仿真分析，判断其是否满足市场对发动机强度的标准要求，并对油底壳提出优化建议。

1 拖拉机油底壳三维模型

油底壳设计需要参考发动机内部和外部边界的具体结构，并且满足发动机换油周期和本身润滑系统需求。在设计具体结构时，需要避免曲轴搅动机油以及吸油口吸入空气。同时，要保证外形尽量紧凑合理。

拖拉机用发动机油底壳结构如图1所示，整体布局如图2所示。油底壳的材料为灰铸铁，前端与前桥相连。后端与发动机飞轮壳相连，飞轮壳与变速箱相连。

2 油底壳有限元仿真分析

2.1 有限元模型的建立

从以上仿真结果分析发现，该拖拉机油底壳在强度方面不满足农业市场的使用要求，几处应力超过材料本身的抗拉强度，油底壳与机体间的辅助支撑处受到的强度较大，存在断裂的风险，高周疲劳安全系数低于正常评估系数。由于高周疲劳安全系数与评估系数差距太大，导致对该油底壳的改动较大。增加油底壳的刚度主要有两个方面：

企业或个体参与的规模化管理，是一种集约服务模式：其在工程管理使用上，始终坚持诚信为本、互惠互利，建设管理主体与项目村和用水农户结成了良好的合作关系；在管理理念上，坚持为民服务，核心是“要把事办在老百姓的心坎上”；在管理方法上，实施最少的管理或自主管理达到管理所要的效果；在利益分配上，将具体工程管理人、受益果农与公司绑成利益共同体，风险共担，利益共享。

2.2 材料属性

进行有限元分析之前要确定模型单元的材料属性，并将材料属性赋给单元。本文涉及应力分析，材料属性要包含模量、泊松比等

。表1是本文需要计算的各零部件材料属性。其中，前托架采用球铁材料，机体、飞轮壳等采用灰铸铁材料。

2.3 边界约束

边界约束是否正确直接影响仿真结果的准确性。在给予部件赋予材料属性的同时，各零部件之间的连接方式也需要结合实际工作状况进行设置。表2是螺栓连接属性表。

2.4 工况计算与仿真结果

工况计算时要施加合理的载荷和约束，本文中有限元分析载荷按照市场对拖拉机强度试验载荷来施加

，本文的模型载荷主要参考的是某公司对拖拉机进行的三个实验(垂直弯曲测试、水平弯曲测试、扭曲测试)边界条件。

垂直弯曲测试的主要目的是检验底盘在加载前后配重情况下垂直弯曲可靠性。因此在建立仿真约束时模型的前桥、后桥除旋转自由度外，其余自由度全约束。图4是简化的垂直弯曲试验边界图。图5是添加垂直弯曲约束的有限元网格模型图。

施加最大螺栓预紧力及水平弯曲测试工况(前轴左右两侧分别施加载荷，载荷循环施加6000次)对系统进行静强度分析。其中，两前轮单独施加51.5kN载荷时，油底壳最大主应力为53.9MPa，施加载荷的大小对仿真结果的影响较大，因此边界的选择非常重要。

2014年，青海盐湖工业股份有限公司调整总体经营思路，在巩固既有市场、扩大市场份额的基础上，转变经营思路，上接资源、下接市场，按照不同区域和品种，联合市场优势资源分别与行业龙头企业组建了六大联营公司。其中，四川盐湖化工销售有限公司就是青海盐湖工业股份有限公司和新希望集团有限公司成立的混合所有制公司，已成为中国最大的钾化学品市场营销、物流配送和客户服务的专业经营公司。

施加最大螺栓预紧力及垂直弯曲测试工况，对系统进行静强度分析。其中，前部和后部同步施加载荷时，油底壳主应力最大，最大为472.9MPa。前部施加45kN竖直向下载荷时，最大应力为380.8MPa，后部施加75kN竖直向下载荷时，最大应力为106.2MPa。

2.4.2 水平弯曲测试计算工况与仿真

水平弯曲测试的主要目的是检验底盘在承受后部载荷工况下的可靠性，为此水平弯曲测试的边界约束为：后桥仅可旋转，前桥中心保持竖直方向坐标不动。图6是简化的水平弯曲试验边界图。

2.4.1 垂直弯曲测试计算工况与仿真

很少看到普通车辆闯红灯，至于普通行人，“中国式”过马路则时有所见。那次，红灯亮起，车辆和行人都缓缓停下。一个骑着电瓶车的小伙子，见交叉方向的道上车辆不多，电门一加，便朝前驶去。一辆赶着绿灯行驶的车辆猝不及防，对着电瓶车的屁股，猛地一撞，电瓶车撞翻在地上，小伙子被撞飞到十几米之外。据说那个小伙子经抢救脱离了生命危险，但这惊魂一幕，却在我的记忆中挥之不去。

2.4.3 扭转测试计算工况与结果

综上所述，尽管海南省旅游经济与生态环境系统评价指数呈现相反的发展趋势，但两者协调发展水平较为稳定，且有进一步提升的潜力。我们应该意识到旅游经济并非“无烟产业”，不顾对生态环境的影响大刀阔斧地发展旅游将威胁到旅游业的长远发展和人类的长期利益。因此，我们应该将生态文明建设融入旅游经济发展过程中，同时，加大旅游业扶持力度，发挥旅游经济的带动功能和支柱功能，促进海南省旅游经济与生态环境系统协调有序发展。

2.4.4 高周疲劳计算工况及仿真

施加最大螺栓预紧力及水平弯曲测试工况(前轴左右两侧车轮交替施加不同载荷，循环2000次)对系统进行静强度分析。左前轮施加竖直向上的61.8kN载荷，油底壳最大主应力为201.6MPa，右前轮施加竖直向上61.8kN载荷，油底壳最大主应力为161.4MPa。

扭转测试的主要目的是检验底盘在承受扭转载荷下的强度和可靠性，为此模型的边界约束为：后桥可旋转，前桥中心位置仅可旋转。图7为简化的扭转测试试验边界图。

施加最大螺栓预紧力及三种不同的测试边界工况，对油底壳疲劳进行计算，其中垂直弯曲工况，安全系数0.41，扭转测试工况，安全系数0.44。

3 结构优化

拖拉机用油底壳通过飞轮壳、油底壳等零部件与整车变速箱和车架相连。有限元可将一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度进行求解。对构建好的油底壳模型进行离散化，并将连续的实体按照一定方式划分成互相联结的有限个个体单元，即得到有限元模型。

1.2.1 调查内容。以现场实地调查为主，并结合访问当地有关人员，查阅相关历史、地方志等资料[8]。调查内容包括树种名称、地理位置、海拔、坡度、坡位、坡向、树高、胸径、冠幅等。

(1)更换油底壳材料

肺GGN是一种有恶变可能的特殊肺结节，因此合理科学地对其进行管理和随访，对早期发现肺癌、改善患者预后、节约医疗资源具有重要意义。目前已有较多版本的指南及专家共识对肺GGN的风险评估及处理策略进行了阐述，但彼此之间存在一定差异。

(2)优化油底壳结构

针对本次油底壳的仿真结果，选择优化油底壳结构来提高强度。具体如下：

首先，根据计算需求处理几何模型，进行几何清理，根据模型大小和结构等因素划分网格。本文采用HyperMesh进行网格划分，根据具体的结构做具体的网络划分。螺栓采用一阶五面体单元，其余如飞轮壳、机体、变速箱等零部件均采用二阶四面体单元

。网格划分步骤对于有限元分析非常重要，因为网格质量直接影响分析结果的质量，同时单元数量也会影响计算时间。要在保证分析结果精确的前提下，尽量减少计算时间。有限元网格划分模型见下图3。

(1)增加油底壳壁厚

第二、三、四章着重分析了行政部门中存在的形形色色的贪腐现象。以收取礼物或因公出差为名，行中饱私囊之实者有之，趁位居政府要职之便，代表他方和美国政府打交道，从而索取非法报酬者也有之。此外，围绕政府官员呈报自身财务状况 (financial disclosure)，官员财务上的利益冲突，官员的“覆盖关系”(covered relationship)(即官员与配偶、直系亲属、配偶的雇主、官员的前雇主、官员仍直接参与的外界组织等的关系)，旋转门 (revolving door)(即政、商界之间的人员流动)，乃至总统、副总统应否不受利益冲突法的约束，等等，作者都一一解剖，提出看法。

负面清单模式能够极大地赋予市场主体从事经济活动的自由，这可能会造成社会资本流向热点行业、热点地区，导致行业发展不平衡，地区发展不均衡。适当的管制可以引导市场主体的行为，避免市场主体之间的恶性竞争，更合理、有效地配置社会资源，促进行业和地区经济的均衡发展，防止垄断的发生。

在确定油底壳壁厚时，一般应综合考虑以下三个方面：保证油底壳达到所需要的强度和刚度；尽可能节约材料；铸造时没有很大的困难。从铸造角度分析，主要是考虑铸造合金的流动性，要满足最小壁厚，否则很难保证充满铸型，容易产生浇不足、冷隔等铸造缺陷。当然壁厚也不能一味的增加，否则容易出现缩孔、缩松等问题，从而使油底壳的机械性能下降。本文中油底壳由于高周疲劳安全系数较低，将油底壳的整体壁厚由8mm增加至15mm。 (2)在油底壳侧面中下位置增加加强筋，通过加强筋连通整个侧面改善油底壳侧面应力集中的问题。

加强筋可以增加铸件的强度和刚度，防止裂纹、变形等，改善应力集中现象。本文模型中油底壳侧面应力较大，可以采取增加加强筋。在增加加强筋的过程中，应注意不妨碍开模。

(3)在油底壳与发动机结合面增加辅助连接，缓解垂直弯曲中结合面所受应力。

(4)油底壳局部圆角尺寸增大，解决应力问题。

一般情况下，铸件上各转角都应设计为合理的圆角，这对于防止铸造缺陷，提高铸件结构强度都有很大的作用。如果圆角设计尺寸较小，在浇注时该处型砂易被金属液冲坏，从而形成砂眼等缺陷。本文将圆角尺寸增大，减小应力问题。

将改进后的模型按照相同的施加载荷和边界约束，重新进行仿真计算，仿真结果显示，模型在垂直弯曲计算、水平弯曲计算、扭转计算工况中的最大应力都在材料属性范围内，满足拖拉机油底壳使用要求。图8为垂直弯曲试验仿真计算结果。

从TCMSP数据库中收集到钩藤散方剂中10味中药的活性化合物，其中钩藤65种、陈皮63种、半夏116种、茯苓34种、人参190种、防风173种、生姜265种、甘草280种、菊花359种、麦冬8种，TCMID查询到麦冬成分40种、石膏成分1种，根据设置的筛选条件OB≥30%、BBB≥0.3、DL≥0.18，筛选钩藤散上述化学成分，其中石膏主要成分硫酸钙因无有效预测靶点被剔除，40种麦冬有效成分没有AMDE数据，从中选择文献报道具有药物活性的化合物8种[22-24]，最终筛选出钩藤散的65个活性化合物进行后续分析，化合物信息见表1。

4 总结

本文在有限元分析的基础上，参考国外公司对拖拉机用发动机的试验方法对国内某一拖拉机油底壳进行了结构分析与改进，改进前油底壳强度不满足市场使用要求，多处强度不足，可靠性较低，优化后的油底壳结构强度能够满足农业市场的使用要求。针对油底壳设计，除了考虑正常储油等功用外，还需要考虑细分市场整车匹配、使用工况、边界条件等因素，提升油底壳的结构强度。

[1]史文库，姚为民.汽车构造(上册)第六版.[M].北京：人民交通出版社，2013:261-263.

[2]张纪元.商用采油机设计[C].潍坊：张纪元，2012年：237-253.

[3]宋智文.基于ABAQUS的油底壳模态分析及结构优化[J].内燃机，2018，5:35-40.

[4]谭继锦，张代胜.汽车构造有限元分析[M].北京：清华大学出版社，2009:135-160.