摊铺机输料机构建模及有限元分析

摊铺机输料机构建模及有限元分析

段成燕1，李科锋2，陈树海1

(1.黑龙江工程学院机电工程学院，哈尔滨150050；2.哈尔滨第一机械集团有限公司， 哈尔滨150081)

摘要：沥青路面施工质量的好坏在很大程度上取决于摊铺机工作性能。输料系统各主要零部件的强度和匹配关系直接影响到施工质量。本文针对沥青混凝土摊铺机的输料机构进行三维实体建模、运动仿真，并对主要零部件进行有限元分析。为输料机构的优化提供理论基础，缩短了产品研发周期，降低了产品研发成本。

关键词：沥青；摊铺机；输料机构；建模；有限元

收稿日期:2014-11-28

基金项目:黑龙江工程学院教研项目(20151230)

作者简介:段成燕(1976-)，女，安徽涡阳人，副教授，硕士，主要从事机械设计制造及其自动化方面研究。

中图分类号：TH132.45文献标志码：A

沥青混合料摊铺机是沥青道路面层施工中广泛使用的施工机械。满足沥青路面施工质量的技术规范要求的前提下，提高其使用性能和经济性能是摊铺机机构设计和优化设计研究重点[1]。本课题对沥青混合料摊铺机输料机构进行三维实体建模和运动仿真，对主要零部件进行有限元分析，生成应力云图，为进一步优化设计提供理论基础。

1摊铺机输料机构

输料机构是摊铺的重要组成部分，完成混合料由料斗向布料器的输送，安装在料斗底部，由两条链条驱动带有刮板的传动链，每组传动链分别由液压马达驱动，通过中间的减速器装置，满足工作机的转速和功率的要求[2]。输料的总体结构如图1所示。

1-联轴器　2-主动链轮　3-驱动链　4- 输送链轮　5-刮板输送链 6-张紧轮　7-张紧拉杆　8-液压马达　9-减速器 图1　输料结构的结构示意图

2三维实体建模

采用底层设计的方法，将每个已装配好的组件和零部件根据设计零件配合要求，将生成的零件插入装配体，生成三维实体模型[3]。通过固定约束面对齐、轴对齐、偏置、匹配等功能模块，对输料机构进行实体装配；通过给元件加入各种组合约束功能模块对零部件进行约束，使元件可以自由移动或旋转进而完成对输料机构的整体装配。输料机构的三维实体效果如图2所示。

3输料机构的运动仿真

通过Pro/E的运动仿真模块，进行装配的运动分析和仿真，应用槽运动和圆柱接头实现输料机构链条数量较多时的运动仿真。在装配过程中设置输料机构运动仿真的旋转销轴，每两个链节都能实现运动功能。设置点的速度、运动轴速度、角速度、切向槽速度、利用速度条件评估模型对输料机构运动速度设计。

依据理论设计的链轮转速，设置输送机构运动槽速度和运动轴速度，检测其运动方向、速度特性、持续时间、帧数和最小间隔等运动参数[4]。为使仿真效果更接近实际输料结构工作时的状态，添加整体的其它机构和实际路面等现实素材，其仿真运动如图3所示。

图3　输料机构工作状态仿真图

4主要零部件的有限元分析

对零部件进行有限元分析，通过离散数学原理将连续的模型划分成有限单元，用四面实体单元划分实体几何体而用三角形壳单元划分几何面。依据输料机构的总体装配图、传动链节的零件图和三维实体模型，链节是输料机构的主要受力部件，忽略过渡圆角、 销孔等对链节刚度影响较小的部位。对手指部分进行网格划分和有限元分析，形成如图4所示的网格图、如图5所示的应力云图和如图6所示的静应力图。

图4　划分网格图

图5　应力分布云图

图6　静应力分析数据

通过静应力分析可知，其最大应力远远小于材料的许用应力值，工作中手爪具有稳定性和安全性，满足理论计算的强度要求。

5结语

输料机构是摊铺机的主要工作部分之一，对其进行三维实体建模和运动仿真，进行运动干涉检验，缩短了产品的设计周期。传动链的强度决定输料结构的承载能力，对传动的组成链节部件进行有限元分析，通过受力运动云图和静应力分析数据，对机构的进一步优化设计提供了理论支持[5]。

参考文献:

[1]李自光.公路施工机械[M].2版.北京：人民交通出版社,2011.

[2]张海波，王兰，卢洁.摊铺机刮板输料系统设计要点[J].工程机械与维修,2013(12)：154-155.

[3]二代龙震工作室.Pro/Mechanism Wildfire5.0机构/运动分析[M].北京:清华大学出版社,2011.

[4]王飞.沥青路面摊铺机作业过程仿真及振动装置研究[D]. 西安：长安大学,2013.

[5]刘体江.沥青混凝土摊铺机结构参数选用及对工程质量影响探究[J].交通世界(建养机械)，2014(1)：54-55.

责任编辑：吴旭云

Modeling and Finite Element Analysis on Paver Transporting Mechanism

DUAN Chengyan1， LI Kefeng2， CHEN Shuhai1

(1.College of Electromechanical Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China；

2． Harbin First Machinery Group Co. LTD., Harbin 150081, China)

Abstract：Asphalt pavement construction quality depends largely on paver working performance. The strength and matching relation of main components in transporting system directly affect the construction quality. The paper makes a three-dimensional entity modeling and movement simulation on the transporting mechanism of asphalt concrete paver, and carries out finite element analysis on the main components, which provides theoretical basis for the optimization of transporting mechanism, shortens the product development cycle and reduces the costs of product development.

Keywords：asphalt; paver; transporting mechanism; modeling; finite element