林義忠，羅光平，謝生亮

工程洗輪機的結構改進與優(yōu)化

林義忠，羅光平，謝生亮

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530000）

針對CTC-1型工程洗輪機初期產品設計粗糙的問題，為使設計更加合理，采用結構有限元法分析方法，對構建的洗車平臺模型進行有限元仿真計算。仿真結果顯示，原工程洗輪機部分結構設計不合理和洗車平臺尺寸設計過于保守，有較大的改進和優(yōu)化空間。通過改變支撐的位置、形狀、數量，改善了洗車平臺的應力集中和使得支撐設置更趨合理；針對洗車平臺尺寸設計過于保守的問題，提出了基于響應曲面法輕量化設計，在滿足整體強度要求的情況下，洗車平臺達到了輕量化的目標。

工程洗輪機；響應曲面法；有限元；輕量化

國內外研究表明，施工和道路揚塵是大氣污染防治的重要內容[1]。工程洗輪機是依據市政、交通、路政、城建、環(huán)保等各部門對施工車輛的要求，針對各類工程車輛的輪胎及底盤而設計的一種機械設備[2]，可以從源頭治理道路揚塵，如圖1所示。該設備的洗車平臺裝有大量不同噴射角度的噴嘴，使用高壓水射流，清洗掉輪胎及底盤部位的黏土，特別適用于各類建筑工地、礦業(yè)工場、水泥制品廠、煤礦、發(fā)電廠、垃圾填埋廠、高檔社區(qū)等場所[3]。

目前，工程洗輪機應用廣泛，具有明顯的經濟效益，但初期產品存在浪費材料、結構設計不合理等問題，所以有必要從理論上來研究，為工程洗輪機的改進和優(yōu)化提供理論依據。采用有限元仿真計算的方法尋找改進和優(yōu)化方向，在滿足整體強度足夠的條件下，充分利用材料，使結構更加合理。本文以CTC-1型工程洗輪機為研究對象，洗車平臺允許通過的工程車輛最大噸位為25 t。

圖1 CTC-1型工程洗輪機

1 洗車平臺有限元模型的建立

1.1 輪胎與洗車平臺單根方管梁的接觸面積

圖2（a）為工程洗輪機的結構圖，主要包括洗車平臺和支撐洗車平臺的水泥墩、噴嘴、電控系統(tǒng)。工程車輛開上洗車平臺，裝在洗車平臺上的噴嘴在電控系統(tǒng)控制下清洗車輪。洗車平臺主要由鍍鋅的Q235空心方管鋼焊接而成，長4 m，寬1＝2.44 m，它是兩塊對稱的鋼架由螺栓連接而成，如圖2（b）所示，空心方管鋼的寬、高、厚為80 mm×80 mm×5.5 mm。Q235鋼是一種含碳量較低的低碳鋼，具有力學性能、鑄造性能和焊接性能良好等優(yōu)點，被廣泛應用于建筑、橋梁等工程中，尤其是應用于較高焊接質量的結構件中[4]。空心方管具有力學性能好、成本低、吸能效率高和相對密度低等優(yōu)勢[5]。

圖4所示是兩張薄紙平行于接觸寬度的方向塞入滿載的工程車輛輪胎與地面接觸縫隙中，測得接觸長度＝250mm。后面兩排輪胎的斷面寬度為315 mm，工程車輛經過洗車平臺時，同排同一側兩個輪最少壓在三根方管橫梁的上表面，與每一根方管橫梁接觸寬度為方管寬度，＝80 mm，接觸長度＝250mm。由于輪胎有花紋、凹槽，而凹槽處與方管是不接觸的，所以把輪胎與洗車平臺單根方管梁的接觸面積簡化成＝××0.5＝10000mm2。

1.2 幾何模型的簡化

為了能方便仿真計算，對洗車平臺有限元模型進行相關簡化：

（1）每個車輪所承受的重力相等，且與單根方管梁的接地面積相等。

（3）忽略方管上直徑小于10 mm的孔。

（4）工程車輛左右兩側車輪之間的距離為2.2 m。

（5）第二排輪與第三排輪車輪中心的距離為1.045 m。

（6）水泥墩看做是剛體，寬為100 mm。

圖4 實測輪胎與地面接觸長度

1.3 添加材料屬性

利用Creo繪制洗車平臺三維圖，輸入ANSYS Workbench中，定義洗車平臺的材料為Q235，并定義相關屬性，如表1所示。

表1 洗車平臺材料性能

1.4 洗車平臺網格劃分

洗車平臺的方管橫梁、縱梁和外圍梁相互連接方式是焊接，它們之間接觸面的定義采用系統(tǒng)默認的bonded方式。由于洗車平臺是對稱結構，只需研究對稱部分。在這里，采用系統(tǒng)默認的自動劃分網格，網格單元尺寸設置為0.005 m。網格質量如圖5（a）所示。

1.5 載荷施加和邊界條件

工程車輛第二排輪或者第三排輪停在洗車平臺正中央時，輪胎與方管梁總計有12個矩形接觸面，每個面上作用的力為16700 N，方向與接觸面垂直，如圖5（b）。由于洗車平臺外圍方管梁放在L型水泥墩上，所以外圍方管梁外側面施加位移約束，、軸方向位移都設置為0 m，如圖5（c）。其它用水泥墩支撐的方管梁底面處施加位移約束，、軸方向的位移設置為free，軸方向的位移設置為0 m，兩塊鋼架結構螺栓連接處施加位移約束，、、軸方向的位移都設置為0 m，如圖5（d）。接觸面和位移約束面使用印記面操作畫出。

2 工程洗輪機的改進

洗車平臺跟地面處于同一平面，行駛在洗車平臺的工程車輛不會產生過大的沖擊載荷，重點研究洗車平臺靜載荷作用下應力情況，以衡量它的結構設計是否合理和為改進提供理論依據。

根據圖6可知：

（1）洗車平臺最大等效應力出現在輪胎與方管梁接觸面處，為111 MPa。Q235是一種塑性材料，屈服極限是235 MPa。由此可知方管梁的靜強度是足夠的，而且安全系數過高，浪費了材料，增加了產品的成本，有必要對洗車平臺的尺寸優(yōu)化設計。

（2）由圖2（a）和圖6可知，雖然方管縱梁2和3之間沒有水泥墩作支撐，但最大等效應力仍沒有大于方管縱梁1和2之間有水泥墩支撐時的最大等效應力，所以方管縱梁1和2之間、3和4之間的水泥墩可去掉。方管縱梁1和4處水泥墩支撐往洗車平臺中央方向平移100 mm，有利于避免外圍梁與橫梁焊接處意外斷裂導致橫梁的一端失去支撐后被壓彎的情況。

（3）圖7是水泥墩支撐處洗車平臺等效應力云圖，從中可知接觸邊緣處存在應力集中現象。為了改善此處的應力集中，對水泥墩支撐面處的直角邊緣倒圓角處理，圓角半徑為10 mm，改善前后的應力對比如圖8所示，由此可知改善應力集中的同時也降低了應力。

圖6 洗車平臺等效應力云圖

圖7 水泥墩支撐處等效應力云圖

3 基于響應曲面法輕量化設計

3.1 選定輸入輸出參數

現代制造業(yè)逐漸向智能化、綠色化、輕量化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展[9]。為此，根據上文的分析，提出了基于響應曲面法洗車平臺輕量化設計的目標。響應曲面法是根據一組實驗所得的樣本數據擬合出響應曲面，并給出曲面方程，然后對曲面方程進行求解，從而獲得一組最優(yōu)設計變量的優(yōu)化方法[10]。

圖8 集中應力改善前后對比

在ANSYS Workbench軟件DM模塊中建立三維模型，設置縱梁高度Plane8.H7、厚度Thin4.FD1和橫梁高度YZPlane.V2、厚度Thin1.FD1為輸入參數，在參數管理器中設置外圍梁的高度Plane6.V8等于橫梁高度YZPlane.V2，外圍梁的厚度Thin3.FD1等于橫梁厚度Thin1.FD1。

建立起響應曲面二階模型為[11]：

式中：0為常量；β為線性相應系數；β為二次影響系數；β為交互作用影響系數；X、X是實驗數據記錄的過程變量。

為能夠有效評判優(yōu)化前后的效果，網格劃分尺寸和載荷及邊界條件與上述改進后的洗車平臺保持一致。完成靜態(tài)分析之后，把洗車平臺的總質量和最大等效應力值設置為輸出參數。建立如圖9所示的分析優(yōu)化流程，并根據工程實際設定優(yōu)化尺寸變化上下限，如表2所示。最終得到了25組設計點。

圖9 分析優(yōu)化流程

表2 優(yōu)化尺寸變化上下限（單位：mm）

3.2 靈敏度和響應分析

靈敏度圖表可以直觀顯示輸入參數對響應參數的影響程度，設計響應圖顯示輸入參數與響應參數之間的關系，形成三維響應面[12]。如圖10所示，與縱梁相比，橫梁的高度、厚度對洗車平臺的質量和應力影響程度較大。圖11橫梁和縱梁的高度、厚度對應力的響應圖。

圖10 參數靈敏度直方圖

3.3 優(yōu)化結果分析

根據洗車平臺的實際使用要求，確定了如圖12所示的優(yōu)化目標，經過優(yōu)化計算得到圖13所示的3個尺寸候選點。考慮到矩形方管過小的高寬比易導致剛度不足，綜合系統(tǒng)給出的星級系數我們選擇候選點2為最佳設計點。

圖11 橫梁和縱梁的高度、厚度對應力的響應圖

圖12 洗車平臺優(yōu)化目標

圖13 尺寸候選結果

表3 優(yōu)化前后對比

表4 洗車平臺前六階固有頻率表

4 結論

以CTC-1工程洗輪機為研究對象，基于有限元法計算原理，構建洗車平臺有限元模型，根據仿真計算結果提出了結構改進和輕量化設計，得出了以下結論：

（1）通過對水泥墩支撐面直角處圓角處理，改善了洗車平臺與水泥墩支撐處應力集中，同時也降低了此處的應力。通過改變水泥墩支撐的位置、數量，使支撐設置更加合理。

（2）針對工程洗輪機洗車平臺尺寸設計過于保守的情況，提出了基于響應曲面法輕量化設計。通過優(yōu)化分析，找到了最佳設計點，優(yōu)化后的質量減少了29.4%，最大等效應力增加了52%，達到了輕量化設計的目的。通過模態(tài)分析可知，工程車輛的怠速頻率遠小于洗車平臺前六階固有頻率，不會與洗車平臺發(fā)生共振。

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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

南寧市科學研究與技術開發(fā)計劃項目（20185066-5）

林義忠（1964－），男，內蒙古包頭人，工學博士，教授，主要研究方向為工業(yè)機器人技術、機電計算機控制。