旋挖钻机导风罩开裂故障的分析与改进

□ 张 潇 □ 刘 方 □ 张宇航

柳工常州机械有限公司 江苏常州 213168

1 问题情况

导风罩和防护罩是发动机冷却系统的重要组成部件,其性能优劣直接影响发动机冷却系统的散热及整机的机外辐射噪声。因此,导风罩和防护罩的可靠性设计是冷却系统设计的重要部分。

笔者根据市场反馈,针对某旋挖钻机导风罩在整机运行39.2 h时的开裂故障进行分析,并提出改进方案。导风罩开裂如图1所示。

▲图1 导风罩开裂

2 导风罩总成

导风罩总成由导风罩、风扇防护罩、液压马达安装板等组成,如图2所示。工作时,液压油驱动液压马达,液压马达驱动风扇旋转。液压马达安装在导风罩总成上。据了解,设计师开发产品时,简单地将匹配相同发动机的挖掘机导风罩借用至旋挖钻机上。

▲图2 导风罩总成

3 导风罩有限元分析

为了防止旋挖钻机在施工过程中再次出现导风罩开裂的情况,笔者基于旋挖钻机的工况特点,对导风罩进行结构仿真分析,为后续导风罩优化设计提供依据。

导风罩材质为Q195钢,厚度为2 mm。对导风罩模型进行简化,质量点B位置代表液压马达,为17.48 kg,质量点D位置代表风扇及垫块安装板,为7 kg。导风罩静力学分析模型如图3所示。

▲图3 导风罩静力学分析模型

对导风罩进行静力学分析,在简化模型的基础上对导风罩周围螺栓孔的位置进行完全约束,在中心轴C处施加8×104N·mm力矩,得到导风罩静力学分析结果,如图4所示。

▲图4 导风罩静力学分析结果

对导风罩模型进行模态分析,分析结果见表1,前六阶模态振型如图5所示。

表1 导风罩模态分析结果

对导风罩模型进行谐响应分析,在简化模型的基础上对导风罩周围螺栓孔的位置进行完全约束,对导风罩模型整体分别施加X、Y、Z三个方向的加速度激励,值为9 800 mm/s2,分析频率为0～100 Hz,谐响应分析结果如图6、表2所示。

表2 导风罩谐响应分析结果

从静力学分析结果看,导风罩模型的最大应力为37.921 MPa,远低于材料的屈服强度,强度满足性能要求。由此初步判断,导风罩开裂与静力学问题没有直接关系。

分析得到导风罩二阶模态为60.478 Hz,六阶模态为89.576 Hz。与导风罩相连的液压马达及风扇的转动基频为30 Hz,二阶频率为60 Hz,三阶频率为90 Hz。由此可见,液压马达与风扇转动的二阶频率、三阶频率分别与导风罩的二阶模态、六阶模态接近,存在共振风险。

在X、Y、Z三个方向上施加重力加速度进行谐响应分析,发现最大应力均满足材料屈服强度要求,但整体应力偏大,尤其是Y向,存在疲劳断裂风险,需要对应力集中处适当加强。

4 改进方案

根据上述有限元分析结果,导风罩发生断裂的主要原因是液压马达与风扇转动的二阶、三阶频率分别与导风罩的二阶、六阶模态接近,存在共振风险。另外,导风罩整体应力偏大,尤其是Y向,存在疲劳断裂的风险。为了使优化设计的改动量尽可能小,实现改进前后导风罩能够完全互换,便于快速整改,笔者有针对性地提出如下方案:

(1)将导风罩板厚由2 mm增大至3 mm,减小共振的风险;

(2)将防护罩的安装螺栓由两颗改为三颗,并由长条形面接触改为更为可靠的三角形面接触。

▲图6 导风罩谐响应分析云图

改进后导风罩如图7所示。

对改进后的导风罩采用同样方法进行有限元分析。改进后导风罩静力学分析结果如图8所示,模态分析结果如图9、表3所示,谐响应分析结果如图10、表4所示。

表3 改进后导风罩模态分析结果

表4 改进后导风罩谐响应分析结果

由分析结果可以看出,改进后导风罩一阶、二阶模态远高于液压马达与风扇转动的基频、二阶频率,减小了共振风险。另一方面,改进后导风罩的最大应力减小了30.15%,整体应力水平优于改进前。

▲图7 改进后导风罩

▲图8 改进后导风罩静力学分析结果

改进后导风罩应用于旋挖钻机,整机累计已使用达500 h,无开裂反馈,验证了改进的有效性。

5 结束语

笔者对市场反馈的旋挖钻机导风罩开裂故障进行分析。旋挖钻机的应用工况较为复杂,不能简单地直接借用挖掘机导风罩结构,需要具体工况具体分析。

改进后的旋挖钻机导风罩,防护罩采用三角形面接触固定,能有效提高结构的稳定性,避免应力过大而导致导风罩开裂的风险。

在零部件开发设计阶段进行有限元分析,能够快速、有效识别出零部件性能存在的不足,节约成本,值得推广。

▲图9 改进后导风罩前六阶模态振型

▲图10 改进后导风罩谐响应分析云图

[3] 王恒宇.护风圈对发动机冷却风扇气动性能影响的CFD分析[J].内燃机与配件,2020(8):56-58.

[4] 张碧荣,朱玉柱,覃俊林.装载机3种形式的导风罩对热平衡和噪声的影响[J].建筑机械,2019(9):89-92.

[5] 蒋小林,王涛,闫位杰.装载机平衡重有限元分析及改进[J].工程机械,2018,49(5):12-15,95.

[6] 赫澜涛.JS150旋挖钻机桅杆有限元分析与优化设计[J].机械制造,2021,59(7):41-43,55.

[7] 赫澜涛.旋挖钻机转盘开裂问题的分析与结构优化[J].机械制造,2021,59(4):74-77.

[8] 刘伟倩,诸兆民,张亚军.5 t级装载机冷却系统导风罩结构形式优化[J].工程机械,2019,50(4):11-14,5.

[9] 朱东烈,童燕,卜涛.风扇与导风罩结构匹配对挖掘机热平衡的影响[J].工程机械,2016,47(4):37-41,8.

[10] 刘智勇,宋杰,张桂荣.基于CFD的工程机械导风罩优化计算[J].内燃机与配件,2018(10):65-67.