基于ANSYS的拖拉机液压提升试验台提升框架分析研究

朱景红 李永武

摘 要：以拖拉机液压悬挂系统提升试验台实际项目为基础，针对试验过程中提升框架强度不够的问题，借助有限元软件ANSYS建立提升装置模型，按最大提升力工况进行加载计算。通过对原始方案模型的计算及多次改进，得出相关结论；改进方案的计算结果也进一步证明了原始方案存在的问题，并最终确定出提升框架的结构形式。原始方案出现问题的主要原因是缺乏设计经验，没有参考依据。本文的研究内容可为后续大马力拖拉机提升框架设计提供一定的理论及技术参考。

关键词：拖拉机；液压悬挂系统；提升框架；ANSYS

中图分类号：TH123+.4文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.09.001

Abstract： This paper based on the actual project of tractor hydraulic suspension system test bench and according to the problem of promotion framework insufficient rigidity in experiment process established the lifting device model and calculated the maximum lifting force condition with the finite element software ANSYS. Through the calculation of the original program model and several improvements， at last this paper drew certain conclusions； The results of the improvement program also proved that the original program had problems and ultimately determined the structure of the lifting frame. The main reason of the original program problems was the lack of design experience and no reference. Contents of this paper can provide theory and technical reference for the design of large horsepower tractors lifting frame.

Keywords： tractor； hydraulic suspension system； lifting frame； ANSYS

0 引言

拖拉机液压悬挂系统通过拖拉机后部的悬挂装置来挂接配套的农机具，并可以调节和控制农具的升降，以此达到控制耕作的深度，同时可为各种农机具的多种动作提供牵引力，因此对其能力进行试验就显得尤为重要。而拖拉机悬挂装置提升能力试验又是拖拉机性能检测的主要内容，试验结果直接反映拖拉机液压系统的工作能力及其设计制造是否符合国家相关标准[1]。

鉴于拖拉机液压系统的特点，对其检测并不容易，目前一般的基层农机维修单位在提升器定量检测方面基本为空白，仅有的是传统的简单定性分析。致使液压提升器的故障得不到及时有效地解决，这也大大制约了农业生产的发展。统计表明，目前国内外针对拖拉机提升器进行的检测基本上是拖拉机厂进行的出厂性能检验[2]，还有小部分的检测部门进行的检测等。其中新型大中型农机具的投入及使用，使得提升器检测方面的不足更为明显[3]。

目前，提升器的加载方式主要有重块加载和液压加载两种主要形式，其中重块加载始终表现为垂直力，符合试验规程，不足之处是重块是分级的，不能实现无极加载，存在一定的误差；液压加载通过溢流阀的控制可实现无极加载，其不足之处是受油缸下绞点摆动的影响，提升过程中负荷的方向是变化的，与实际操作规程有差异[4]；而且液压加载还存在无极伸缩的缺点，同时液压加载存在安装调试复杂，成本高等缺点。重块加载的机械形式具有成本低，安装制作简单等优点，本文实际项目采用了重块加载的机械形式。

本文以拖拉机提升试验台实际项目为基础，借助ANSYS软件建立提升装置的有限元模型，以最大提升力工况进行加载计算。首先对原始方案进行加载计算，然后更改原始方案各构件的板厚，重新进行加载计算；随后，本文改进原始方案的结构形式，重新进行加载计算，最后对比分析了两种方案的计算结果，结果表明方案改进后能够满足实际使用要求，可为后续设计提供参考。

1 提升试验台的基本形式

提升试验台装置，主要由提升框架、砝码支架、丝杠装置以及地锚等四大部分组成，见图1。试验过程中容易出现问题的是提升框架这一主体结构，这也是本文主要的研究对象，提升框架可进一步细分为方形框、斜拉板以及立柱等结构，见图2。

2 全行程最大提升力计算

本文最大提升力试验是在提升框架上进行试验的，因为拖拉机整机出厂检验建议优先选择在提升框架上进行试验，其中国家有关标准规定的最大提升力指标也是指在提升框架上试验的最大提升力[5]。试验时，将试验装置按照《GB/T 3871.4-2006》规定的试验规程及其注意事项进行安装。其中试验规程中规定：在提升框架610 mm处施加一可测量的垂直向下的力；有效提升力和相应的液压压力应在整个提升范围内间隔大致相等的至少6点处测定，其中包括最高与最低点这两个极限位置。

本试验选取6段测定7个点的提升力，试验最终确定的是整个提升行程的最大提升力，其中最大提升力的确定如下：取所有测得的提升力中的最小值，将其修正到相当于液压提升系统安全阀最小调定压力的90%时的对应值，该值即为整个提升范围内的最大提升力，见如下公式。

3 提升装置有限元模型建立及计算分析

本文选用某企业LM1204轮式拖拉机88.2 kW[120 PS]的提升试验台实际项目为例，建立提升框架及砝码框架的有限元模型，如图3所示，然后按最大提升力工况进行加载计算。

原始方案即实际项目初次制作是将提升框架的所有板全部采用20 mm厚的Q235板材焊接而成，尤其是方形框这一结构，采用四块立板焊接而成，但是在试验过程中，提升框架强度出现了多种问题，尤其是主要构件“立柱”，不仅强度不满足要求，刚度也出现了问题。本文首先对原始方案进行建模并计算，这里选用的是ANSYS的三维板壳单元shell63来模拟板材，该单元可以模拟板壳的平面膜应力及平面弯曲能力。其中提升框架方形框的有限元截面图如图4所示。

本实验台采用的是重块加载的机械形式，将砝码一块块放置到砝码架上，有限元加载时对该加载形式进行了模拟，选取砝码支架放置重块的节点进行加载，由于试验过程中提升框架会随三点悬挂装置不断被提升，此时砝码框架会沿着与提升框架的连接轴旋转，以保证所施加的力为垂直力。本文选取提升框架的最大受力工况进行加载计算，即砝码支架与提升框架垂直的角度进行加载。其中板厚20 mm的Q235板材的屈服强度为225 MPa，抗拉强度为375 MPa，材料的许用应力为168 MPa。

根据拖拉机使用说明书及计算得出需要加载重块的重力为26.656 kN，有限元中分10个加载点进行加载。实际项目安装调试过程中，最容易出问题的是提升框架立柱这一构件。经计算，原始方案立柱应力计算结果最大应力达1136.66 MPa，见图5，严重超许用应力，整个提升装置的应变最大达30.77 mm，见图6。

针对原始方案，本文又做了如下统计计算：（1）将立柱板材厚度改为40 mm其余板厚不变，重新进行计算，计算结果立柱最大应力为541 MPa，依旧超许用应力，整体应变有所减小，最大为18.47 mm；（2）立柱厚度不变，仍为20 mm，将方形框及斜拉板各个板厚改为40 mm，立柱及整体变形依旧很大，应力高达1216.68 MPa，整体应变最大为29.56 mm；（3）立柱、斜拉板及方形框板厚均改为40 mm，立柱高达578.08 MPa，整体应变最大为16.6 mm，立柱应力依旧超许用应力。而且对于40 mm厚的立柱来说折弯也相对不易，需要大型折弯机才能满足要求。综上所述：针对原始方案无论如何增加板厚，都起不到很好的效果，提升试验台整体变形依旧较大，应力也严重超许用应力。

针对原始方案整体变形较大，刚度不足的问题，方案进行了改进，改进方案与原始方案的不同之处在于：将提升框架方形框部分的长梁采用10#槽钢与12 mm厚的板焊接而成，短梁采用两10#槽钢对焊而成的形式，以提高其刚度，其余部分结构与原方案完全一致，均为20 mm厚的板。有限元建模时采用的是solid45三维实体单元来模拟槽钢体结构，提升框架方形框的有限元截面图，如图7所示。

按照相同的力进行加载计算，计算结果为：易坏构件立柱的应力最大只有128.94 MPa<[168 MPa]，提升装置整体应变仅仅3.48 mm，满足使用要求。

4 结论

本文建立提升装置的有限元模型并进行加载计算，通过对原始方案的计算及多次更改原始方案各主要构件板厚重新加载计算，得出结论：提升框架的方形框如果采用四块立板焊接而成，那么不管各构件板厚多厚，由于变形较大，框架立柱受力总会超许用应力，改进板厚不能起到很好的效果，说明原始方案方形框本身这种板材焊接的结构形式不能满足使用要求。

将原始方案的方形框改为槽钢之后，受力情况则明显改善，立柱应力也在许用应力范围之内，完全满足使用要求。鉴于目前针对提升试验台的研究相对较少，缺乏理论参考，本文的研究内容可为后续大马力拖拉机提升试验台的设计提供一定的理论参考，对实际设计具有较好的现实意义。

参考文献：

[1] 张本领，史仁成，郭雪峰. 拖拉机悬挂装置提升能力试验过程中遇到的几个问题[J].农机质量与监督，2013（12）：20-21.

[2] 栾圣罡. 拖拉机液压提升器提升能力检测试验台的设计研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2002.

[3] 张闽鲁，吴清分. 90年代以来国外拖拉机产品的技术状况及发展[J].拖拉机与农用运输车辆，2001（4）：42-46.

[4] 牛毅. 拖拉机液压提升器试验台加载方法分析[J].洛阳工学院学报，1995，6（16）：64-67.

[5] 刘子波，赵明元，王斌. 农用轮式拖拉机液悬挂提升试验浅析[J].山东农机化，2010（9）：31.