轮式铣刨机行走折叠装置结构分析与优化

洪印涛，许明明

(黎明职业大学 智能制造工程学院，福建 泉州 362000)

路面铣刨机作为高等级公路及城市养护机械化的主要的机种之一，可以实现沥青旧路再生利用。主要用于维修翻新沥青混凝土路面层，可以用于清除路面油浪、鼓包、网纹、车辙等缺陷，还可以用于开挖路面沟槽以及实现水泥路面的拉毛及面层错台的铣平[1]。在路面周期性养护的高峰阶段，很多市政部门或者大型小区也都配备铣刨机，主要以窄体轮式铣刨机为主，方便停放及养护，具有较高的便携性[2]。铣刨机的构造主要包括车架、输料装置、行走系统、动力系统、控制系统、工作装置等。因此，铣刨机可以按照铣刨宽度、输料形式、铣刨驱动形式、行走驱动形式进行分类[3]。本文主要研究市政使用的小型铣刨机，以徐州某公司XM101Q为车型[4]，重点研究其后轮折叠腿在使用过程中的受力情况，拟为中小型铣刨机的设计开发提供一些参考。

1 铣刨机工作原理

1.1 铣刨驱动系统

铣刨驱动系统采用机械链传动驱动方式,具有铣刨平稳、传动效率高的特点。该系统由发动机、弹性联轴器、离合器、传动轴、齿轮箱、链条等主要部件组成。采用进口高弹性联轴器，缓冲铣刨路面时产生的冲击载荷，保护传动系。传动上装有安全销，当遇到较大的冲击或载荷过大时，安全销断裂，保护传动系统不受损坏[5]。

1.2 铣刨装置

刀头采用美国凯南麦特刀头、刀座，坚固耐用。硬质合金材料的刀头具有超强的耐磨性，使用寿命长。以螺旋排布形式，使刀具的受力更为合理，减少刀具的非正常磨损；铣刨轮进行动平衡试验，最大限度减小由于偏心带导致的震动和噪声[6]。

1.3 行走驱动系统

行走驱动系统采用液压机械混合驱动形式，分为工作和行走两档速度。系统主要部件为行走泵、行走马达、齿轮箱、传动轴、前桥、左右后轮等。行驶速度可达13 km/h，转场速度快，特别适合市区性质范围内的转场施工，节省时间和运输成本。XM101Q的最大工作速度可达21 m/min，并具有行车制动，可增加操作的安全性。

1.4 支腿升降装置

为实现后轮支腿的折叠，升降内筒与牵引外筒之间形成一个封闭的液压缸。升降内筒可以在牵引外筒上沿键槽上下移动。当支腿需要切换位置时，可以将升降内筒升起，脱离地面以便进行折叠；当支腿折叠移动到所需位置后再将内筒降下，使轮胎与地面接触。折叠过程中支腿绕着旋转轴进行旋转，旋转支撑板起支撑固定作用。如图1所示。

支腿的升降折叠可以实现不同的功能，具备优良的贴边铣刨功能。常规情况下，右后支腿处于机架外侧，左右两后轮为同轴，可以进行普通路况以及井盖等特殊路况的铣刨。而当铣刨公路边缘时，左、右后轮可方便地折叠旋入机架内侧，实现贴边铣刨[7]。

2 仿真模型的建立和验证

在使用过程中，出现后轮支腿升降装置内筒底座变形及焊缝开裂现象，因此，对后轮支腿升降装置做结构仿真分析。

2.1 后轮模型网格划分

通过hypermesh(有限元网格划分)软件手动进行划分，主要采用正六面体网格，以增加仿真的精确性。划分网格前须去除一些对仿真结果影响不大的细节，简化模型，减少网格处理后整体的分析计算量[8]。去除的细节主要有模型的倒角、细小的孔、对结果影响不大的细小曲面等。划分后的网格模型如图2所示。

图2 XM101Q支腿有限元网格划分模型

2.2 材料属性添加

在Ansys(有限元仿真分析)软件中添加材料属性，各零部件接触参数如表1所示。

表1 升降装置零件材料属性

2.3 定义零件的接触形式

升降内筒与牵引外筒之间、外筒上的键与升降内筒上的键槽之间、牵引外筒和键之间，在正常工作时均无相对运动，因此，零件内的接触设为boned(粘结)方式[9]。升降内筒与法兰盘之间，牵引外筒与加强板、筋板、连接板、旋转轴之间采用焊接形式连接[10]。整个装配件共有8个接触对，如图3所示。

图3 支腿载荷施加位置(共 8个接触对)

2.4 载荷与固定约束设置

经过力学模型简化，支腿升降装置固定约束设定在法兰盘螺栓上，如图4所示。

因铣刨机工作时，为摊铺均匀，一般为匀速前进，故认为此时支腿所受的载荷为恒力。XM101Q的工作速度为0～13 m/min，额定功率为125 kW，整机额定功率为14 500 kg，发动机转速2 200 r/min。通过理论力学计算，可将受力载荷分为两个恒力：一个是垂直方向的载荷45 kN，作用在旋转支撑板上；另一个力是水平方向的牵引力86.9 kN，均匀作用在旋转轴上。

3 计算结果分析

计算结果主要从支腿折叠部件整体、支腿内筒和支腿外筒3个方面查看。

支腿折叠部件整体最大变形5.4 mm，出现在外筒上部，由上而下逐渐减小。整体最大应力489 MPa，出现在支腿底部焊接处，主要是弯矩所致。如图5、图6所示。

外筒最大变形5.4 mm，出现在外筒顶部；外筒最大应力79.1 MPa，出现在键槽孔处。如图7、图8所示。

图7 支腿外筒变形云图 图8 支腿外筒应力云图

内筒最大变形3.2 mm，出现在顶部，由上至下变形逐渐减小。内筒最大应力312.3 MPa，出现在底处。内筒与键槽接触处最大应力127.1 MPa。如图9、图10所示。

图9 支腿内筒变形云图 图10 支腿内筒与键槽接触处应力云图

这是因为零件为两端受力，底端固定约束，因此内筒的最大变形在最上端；而底端与连接板及固定板焊接一起，在两端受力时，外筒顶端最先变形。内外筒应力最大处为内外筒升降导向装配位置，主要原因是设备工作时，外筒上的伸缩键与内筒键槽过盈配合。随着键槽与导向键之间的力增大到一定数值后，内外筒筒壁之间开始大面积接触受力，承担内外筒的主要载荷，因此键槽位置的受力不会过大。

4 结论与建议

通过结构分析可知，支腿大部分零件所受的应力强度满足许用应力要求。但升降内筒与法兰盘焊接处所受应力最大，并且部分应力集中在法兰盘螺栓连接处，整体最大应力在489 MPa，主要是弯矩所致。为改善后轮支腿升降装置在正常使用中出现的部分机型内筒底座变形及焊缝开裂现象，建议如下。

(1)改进升降内筒与法兰盘连接处的焊接工艺。装配时,焊件应保证轴向对准,尽可能减少其表面错边；施焊前，清除焊缝边缘上的氧化物、潮湿和油污等，焊缝间隙和坡口应符合焊接工艺标准；焊接后，焊缝表面不应有裂纹、焊瘤、气孔、咬边以及未填满的弧坑和凹陷，如有以上缺陷应及时修补。

(2)增大法兰盘的尺寸厚度，在使用工况载荷不变的情况下，减少螺栓连接处的应力，将法兰盘的厚度由原有的1.6 cm提高为4 cm，将底部的最大应力控制在200 MPa以内。

(3)在不影响内筒升降行程的前提下，也可在法兰盘与升降内筒之间增加加强筋，但具体受力情况应重新进行受力分析评估。

按以上措施进行整改后，仍须对铣刨机的后续售后使用进行跟进反馈，落实改进效果。传统的机械设计往往采用公式计算的方式。但设计零件较多时，传统的设计无法对所有零件进行设计验算，而使用仿真软件则可以对可能发生故障的部件和部位进行预测，降低计算强度，缩短工期，有效降低故障率。