工程洗轮机的结构改进与优化

林义忠，罗光平，谢生亮

工程洗轮机的结构改进与优化

林义忠，罗光平，谢生亮

（广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530000）

针对CTC-1型工程洗轮机初期产品设计粗糙的问题，为使设计更加合理，采用结构有限元法分析方法，对构建的洗车平台模型进行有限元仿真计算。仿真结果显示，原工程洗轮机部分结构设计不合理和洗车平台尺寸设计过于保守，有较大的改进和优化空间。通过改变支撑的位置、形状、数量，改善了洗车平台的应力集中和使得支撑设置更趋合理；针对洗车平台尺寸设计过于保守的问题，提出了基于响应曲面法轻量化设计，在满足整体强度要求的情况下，洗车平台达到了轻量化的目标。

工程洗轮机；响应曲面法；有限元；轻量化

国内外研究表明，施工和道路扬尘是大气污染防治的重要内容[1]。工程洗轮机是依据市政、交通、路政、城建、环保等各部门对施工车辆的要求，针对各类工程车辆的轮胎及底盘而设计的一种机械设备[2]，可以从源头治理道路扬尘，如图1所示。该设备的洗车平台装有大量不同喷射角度的喷嘴，使用高压水射流，清洗掉轮胎及底盘部位的黏土，特别适用于各类建筑工地、矿业工场、水泥制品厂、煤矿、发电厂、垃圾填埋厂、高档社区等场所[3]。

目前，工程洗轮机应用广泛，具有明显的经济效益，但初期产品存在浪费材料、结构设计不合理等问题，所以有必要从理论上来研究，为工程洗轮机的改进和优化提供理论依据。采用有限元仿真计算的方法寻找改进和优化方向，在满足整体强度足够的条件下，充分利用材料，使结构更加合理。本文以CTC-1型工程洗轮机为研究对象，洗车平台允许通过的工程车辆最大吨位为25 t。

图1 CTC-1型工程洗轮机

1 洗车平台有限元模型的建立

1.1 轮胎与洗车平台单根方管梁的接触面积

图2（a）为工程洗轮机的结构图，主要包括洗车平台和支撑洗车平台的水泥墩、喷嘴、电控系统。工程车辆开上洗车平台，装在洗车平台上的喷嘴在电控系统控制下清洗车轮。洗车平台主要由镀锌的Q235空心方管钢焊接而成，长4 m，宽1＝2.44 m，它是两块对称的钢架由螺栓连接而成，如图2（b）所示，空心方管钢的宽、高、厚为80 mm×80 mm×5.5 mm。Q235钢是一种含碳量较低的低碳钢，具有力学性能、铸造性能和焊接性能良好等优点，被广泛应用于建筑、桥梁等工程中，尤其是应用于较高焊接质量的结构件中[4]。空心方管具有力学性能好、成本低、吸能效率高和相对密度低等优势[5]。

图4所示是两张薄纸平行于接触宽度的方向塞入满载的工程车辆轮胎与地面接触缝隙中，测得接触长度＝250mm。后面两排轮胎的断面宽度为315 mm，工程车辆经过洗车平台时，同排同一侧两个轮最少压在三根方管横梁的上表面，与每一根方管横梁接触宽度为方管宽度，＝80 mm，接触长度＝250mm。由于轮胎有花纹、凹槽，而凹槽处与方管是不接触的，所以把轮胎与洗车平台单根方管梁的接触面积简化成＝××0.5＝10000mm2。

1.2 几何模型的简化

为了能方便仿真计算，对洗车平台有限元模型进行相关简化：

（1）每个车轮所承受的重力相等，且与单根方管梁的接地面积相等。

（3）忽略方管上直径小于10 mm的孔。

（4）工程车辆左右两侧车轮之间的距离为2.2 m。

（5）第二排轮与第三排轮车轮中心的距离为1.045 m。

（6）水泥墩看做是刚体，宽为100 mm。

图4 实测轮胎与地面接触长度

1.3 添加材料属性

利用Creo绘制洗车平台三维图，输入ANSYS Workbench中，定义洗车平台的材料为Q235，并定义相关属性，如表1所示。

表1 洗车平台材料性能

1.4 洗车平台网格划分

洗车平台的方管横梁、纵梁和外围梁相互连接方式是焊接，它们之间接触面的定义采用系统默认的bonded方式。由于洗车平台是对称结构，只需研究对称部分。在这里，采用系统默认的自动划分网格，网格单元尺寸设置为0.005 m。网格质量如图5（a）所示。

1.5 载荷施加和边界条件

工程车辆第二排轮或者第三排轮停在洗车平台正中央时，轮胎与方管梁总计有12个矩形接触面，每个面上作用的力为16700 N，方向与接触面垂直，如图5（b）。由于洗车平台外围方管梁放在L型水泥墩上，所以外围方管梁外侧面施加位移约束，、轴方向位移都设置为0 m，如图5（c）。其它用水泥墩支撑的方管梁底面处施加位移约束，、轴方向的位移设置为free，轴方向的位移设置为0 m，两块钢架结构螺栓连接处施加位移约束，、、轴方向的位移都设置为0 m，如图5（d）。接触面和位移约束面使用印记面操作画出。

2 工程洗轮机的改进

洗车平台跟地面处于同一平面，行驶在洗车平台的工程车辆不会产生过大的冲击载荷，重点研究洗车平台静载荷作用下应力情况，以衡量它的结构设计是否合理和为改进提供理论依据。

根据图6可知：

（1）洗车平台最大等效应力出现在轮胎与方管梁接触面处，为111 MPa。Q235是一种塑性材料，屈服极限是235 MPa。由此可知方管梁的静强度是足够的，而且安全系数过高，浪费了材料，增加了产品的成本，有必要对洗车平台的尺寸优化设计。

（2）由图2（a）和图6可知，虽然方管纵梁2和3之间没有水泥墩作支撑，但最大等效应力仍没有大于方管纵梁1和2之间有水泥墩支撑时的最大等效应力，所以方管纵梁1和2之间、3和4之间的水泥墩可去掉。方管纵梁1和4处水泥墩支撑往洗车平台中央方向平移100 mm，有利于避免外围梁与横梁焊接处意外断裂导致横梁的一端失去支撑后被压弯的情况。

（3）图7是水泥墩支撑处洗车平台等效应力云图，从中可知接触边缘处存在应力集中现象。为了改善此处的应力集中，对水泥墩支撑面处的直角边缘倒圆角处理，圆角半径为10 mm，改善前后的应力对比如图8所示，由此可知改善应力集中的同时也降低了应力。

图6 洗车平台等效应力云图

图7 水泥墩支撑处等效应力云图

3 基于响应曲面法轻量化设计

3.1 选定输入输出参数

现代制造业逐渐向智能化、绿色化、轻量化和系统化的方向发展[9]。为此，根据上文的分析，提出了基于响应曲面法洗车平台轻量化设计的目标。响应曲面法是根据一组实验所得的样本数据拟合出响应曲面，并给出曲面方程，然后对曲面方程进行求解，从而获得一组最优设计变量的优化方法[10]。

图8 集中应力改善前后对比

在ANSYS Workbench软件DM模块中建立三维模型，设置纵梁高度Plane8.H7、厚度Thin4.FD1和横梁高度YZPlane.V2、厚度Thin1.FD1为输入参数，在参数管理器中设置外围梁的高度Plane6.V8等于横梁高度YZPlane.V2，外围梁的厚度Thin3.FD1等于横梁厚度Thin1.FD1。

建立起响应曲面二阶模型为[11]：

式中：0为常量；β为线性相应系数；β为二次影响系数；β为交互作用影响系数；X、X是实验数据记录的过程变量。

为能够有效评判优化前后的效果，网格划分尺寸和载荷及边界条件与上述改进后的洗车平台保持一致。完成静态分析之后，把洗车平台的总质量和最大等效应力值设置为输出参数。建立如图9所示的分析优化流程，并根据工程实际设定优化尺寸变化上下限，如表2所示。最终得到了25组设计点。

图9 分析优化流程

表2 优化尺寸变化上下限（单位：mm）

3.2 灵敏度和响应分析

灵敏度图表可以直观显示输入参数对响应参数的影响程度，设计响应图显示输入参数与响应参数之间的关系，形成三维响应面[12]。如图10所示，与纵梁相比，横梁的高度、厚度对洗车平台的质量和应力影响程度较大。图11横梁和纵梁的高度、厚度对应力的响应图。

图10 参数灵敏度直方图

3.3 优化结果分析

根据洗车平台的实际使用要求，确定了如图12所示的优化目标，经过优化计算得到图13所示的3个尺寸候选点。考虑到矩形方管过小的高宽比易导致刚度不足，综合系统给出的星级系数我们选择候选点2为最佳设计点。

图11 横梁和纵梁的高度、厚度对应力的响应图

图12 洗车平台优化目标

图13 尺寸候选结果

表3 优化前后对比

表4 洗车平台前六阶固有频率表

4 结论

以CTC-1工程洗轮机为研究对象，基于有限元法计算原理，构建洗车平台有限元模型，根据仿真计算结果提出了结构改进和轻量化设计，得出了以下结论：

（1）通过对水泥墩支撑面直角处圆角处理，改善了洗车平台与水泥墩支撑处应力集中，同时也降低了此处的应力。通过改变水泥墩支撑的位置、数量，使支撑设置更加合理。

（2）针对工程洗轮机洗车平台尺寸设计过于保守的情况，提出了基于响应曲面法轻量化设计。通过优化分析，找到了最佳设计点，优化后的质量减少了29.4%，最大等效应力增加了52%，达到了轻量化设计的目的。通过模态分析可知，工程车辆的怠速频率远小于洗车平台前六阶固有频率，不会与洗车平台发生共振。

[1]黄玉虎，曲松，王斌，等.转轮式洗轮机对车轮带泥的冲洗效果[J]. 环境工程学报，2014，8（2）：631-635.

[2]段建. 洗轮机的设计[J]. 科技创新与生产力，2016（12）：101-103.

[3]戚仁君. 防尘全自动洗轮机的应用[J]. 安徽建筑，2015，22（5）：119-120.

[4]翟新芳. 建筑用Q235钢板的焊接性能研究[J]. 铸造技术，2014，35（8）：1825-1827.

[5]郑玉卿，朱西产，马志雄. 棱边强化薄壁方管静动态轴压理论和仿真研究[J]. 汽车工程，2019，41（4）：468-474.

[6]朱兴元，谢志民，阎相桥，等. 轮胎接地长度和径向静刚度计算方法[J]. 轮胎工业，1998（08）：10-13.

[7]李婷. 载重汽车轮胎接地压力研究[D]. 西安：长安大学，2013.

[8]徐婷. 考虑接地印迹特性的半物理轮胎模型研究[D]. 长春：吉林大学，2018.

[9]李治勇，汤卿，覃琴，等. 基于ANSYS的桌面数控车床静刚度分析及结构优化[J]. 机械，2018，45（8）：1-5，74.

[10]张子伟，马新武. 基于响应曲面法的预成形模具优化设计[J]. 锻压技术，2017，42（9）：129-134.

[11]翟晓康. 基于RSM的关联多响应试验设计与稳健性优化研究[D]. 天津大学，2014.

[12]买买提明·艾尼，陈华磊，王晶. ANSYS Workbench18.0有限元分析入门与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2018.

[13]陈棕，李尚平，郑海腾，等.某农用车车架的模态分析与优化[J]. 机械设计与制造，2018（12）：53-56.

Structure Improvement and Optimization of Wheel Cleaing Machine of Engineering Vehicle

LIN Yizhong，LUO Guangping，XIE Shengliang

( School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530000, China )

In this research, aiming at the problem of rough product design in the initial stage of CTC-1 wheel cleaing machine of engineering vehicle, in order to make the design more reasonable, The finite element method (FEM) was used to analyze the car cleaing platform model. The simulation results show that the structure design of the original wheel cleaing machine of engineering vehicle is not reasonable and the size design of the car cleaing platform is too conservative, so there is much room for improvement and optimization.By changing the position, shape and quantity of the support, the stress concentration of the car cleaing platform is improved and the support setting is more reasonable. Aiming at the problem that the size design of the car cleaing platform is too conservative, a lightweight design based on response surface method is proposed.

wheel cleaing machine of engineering vehicle；response surface method；finite element；lightweight

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.009

1006－0316 (2020) 04－0051－07

2019－11－14

南宁市科学研究与技术开发计划项目（20185066-5）

林义忠（1964－），男，内蒙古包头人，工学博士，教授，主要研究方向为工业机器人技术、机电计算机控制。