基于Inventor的伸缩履带底盘设计

基于Inventor的伸缩履带底盘设计
用AutodeskInventor进行建模实现产品研发，总结当前履带底盘设计经验和应用Inventor 软件性能技巧，明确设计流程和关键操作环节，推进产品研发的速度。

一、引言
笔者所在的公司自主研发、全新设计某吨位的履带起重机，从一开始该型履带起重机就采用环保节能的设计理念，不仅在动力、液压方面实现节能，在大型结构件上也倡导优化设计，降低非工作性动力损耗。

该型履带起重机的底盘采用可拓展履带底盘(图1)，由H形中心架、左右履带架、伸缩液压油缸、行走马达、内藏式行星减速器、驱动轮、导向轮、支重轮、托链轮及履带板等组成。

底盘采用的可伸缩履带架结构方式保证了整体机架具有抗扭强度高、稳定性好的特点。

导向轮和驱动轮能在恶劣路面上保持良好的行走性能，并能自动保持链板清洁。

履带行走机构的导向轮、支重轮和拖链轮采用浮动密封结构，不需要经常保养。

采用高强度平板式履带板，提高了整机的接地面积，降低了接地比压，可伸缩履带架增大履带中心距，使整机具有良好的接地性、稳定性和较长的寿命，同时也满足了运输要求。

图1伸缩臂履带起重机产品外观图
二、设计过程
1.设计任务
根据产品开发计划和任务书要求，设计的履带底盘为伸缩履带式液压底盘，设计承载能力为60t，两侧的履带架为液压伸缩式，依靠液压油缸实现伸缩履带架，中间为抗扭加强型H形钢架。

其他主要设计参数有：履带中心距2500mm，单侧伸缩行程500mm，履带板宽950mm，单侧采用8个支重轮，轮距(驱动轮距离引导轮)5500mm，回转支承接口直径1800mm，履带高度1250mm。

2.结构设计
底盘的设计采用自上而下的设计，即根据总体要求绘制总体结构草图，将所需的零部件如液压马达减速机、驱动轮、引导轮、履带板和液压缸等部件预先装配在正确位置，然后分项细化。

在框架结构模式下，设计H架、左右履带架及其伸缩结构，排除干涉部位。

根据受力情况，进行局部结构加强。

在此过程中，
可以对不符合实际工况的结构形式和干涉部位进行调整，或者在保证使用安全的前提下调整某些部件的安装方向或位置(图2)。

图2伸缩履带底盘设计界面
(1)中心架：采用H形状结构，下部为箱型，两侧双支承梁，内部安装液压油缸。

为伸缩行程设计的滑道结构，上部为直筒圆柱形，上部的大法兰盘承接回转支承和回转接头的安装。

(2)左右履带架：左右履带架为左右对称部件，采用箱型纵梁结构，内立支承立板，前端为滑槽式结构，以用来安装引导轮及其张紧装置的滑动，后端为单耳法兰盘结构，液压行走驱动机构偏置安装在法兰盘上，中间段为箱型纵梁主体，倒置支承式安装支重轮。

(3)伸缩滑动结构：左右履带架和中心架采用矩形嵌套伸缩方式，履带架上有方孔，中心架支承在此孔内依靠液压缸实现滑动，伸缩拉动的固定端通过箱型法兰盘固定在履带架的外侧。

3.接口设计
根据承载特定要求，确定底盘的结构形式，根据主要参数如履带板宽度、支重轮规格个数、履带中心距及伸缩量、四轮位置及接口和回转支承安装接口等确定结构形式。

4.装配验证
装配验证主要为结构验证和干涉检查。

(1)结构验证：履带在行走过程中产生冲击抖动，验证拖链轮对履带的支承作用，是否在履带抖动的过程中与履带架结构发生磕碰，需预留理论间隙;履带行走中出现越障时，为防止履带脱轨，验证履带导链架的高度是否满足理论要求。

这些可以通过测量功能实现。

(2)干涉检查：执行全部装配体的总体干涉检查或者针对某些选定部件进行干涉检查，以确定设计的准确性。

三、设计仿真验证
在这里利用Inventor自带的结构分析模块进行总体结构受力分析。

1.验证目标
对总体结构进行受力分析，确定结构的可行性及危险截面，根据结果优化改进部分结构，在满足强度要求的前提下减轻结构件重量。

2.分析条件
根据承载要求和参数，设定承载力主要集中在回转支承平面上，承受上部工作部件自重、起重重量以及由此产生的力矩，以履带板面接触转算支重轮受力点为约束条件，分前置载荷、左右置载荷和后置载荷四种工况计算底盘架总体受力情况。

3.实施仿真
AutodeskInventorSimulation应力分析提供了用来在零件或部件上放置载荷和约束的工具，提供了各种命令来直接确定模型的结构设计性能。

应力分析有助于执行以下操作。

◎确定零件或部件的强度是否可以承受预期的载荷或振动，而不会出现不适当的断裂或变形。

◎在早期阶段获得全面的分析结果是很有价值的，因为在早期阶段进行重新设计的成本较低。

◎确定能否以更节约成本而且仍能达到让人满意的使
用效果的方式对零件进行重新设计。

使用Inventor来分析履带底盘结构件的工作流程。

(1)预处理：删除不必要的零件及零件结构特征。

(2)打开零部件、零件或部件。

(3)进入应力分析环境。

(4)单击“创建仿真”，命名为“Simulation：1”。

(5)指定仿真特性，分析类型为静态分析。

(6)排除不想包含在仿真中的零部件，如上车踏板等。

(7)为参与分析的所有零件指定材料：材料为低碳钢。

(8)指定和应用约束。

(9)指定载荷的位置和大小：在额定载荷下，添加载荷类型为“力”，加载力的方向为竖直向下，大小为60t，添加载荷类型为“力矩”，加载方向为竖直平面内顺时针，大小为150t·m，作用面均为回转支承安装面上。

按工况设定力矩承载竖直平面的方向。

(10)评估接触，并按默认接触状态。

(11)指定适当的网格粗略度或精细度。

(12)可选：预览网格以确保网格符合设计。

(13)求解，运行仿真(图3)。

图3实体单元网格划分
(14)后处理：查看结果(图4)。

图4左右承载受力分析结果
结果中，圆形承载面的应力面积较大，大小在110MPa，并发现在回转支承安装面下的沿周圈分布的某个三角加强筋发生应力集中(233MPa)，根据改动三角加强筋高度尺寸重复进行分析，发现应力集中的应力值与高度尺寸相关，决定进行目标参数优化(图5)。

图5应力集中点
(15)以回转支承安装面下的沿周圈分布的三角加强筋为优化零件，复制上述仿真分析，重新命名为“S imulation：2”，目标参数为“驱动尺寸”，选择三角加强筋零件的高度尺寸，并设定变化范围为145~2 25mm。

(16)运行仿真以更新结果。

(17)查看结果，分析三角加强筋零件的高度变化产生的应力集中值的变化情况，可以选择优化参数。

(18)确定优化后的三角加强筋零件的高度为182mm，此时出现的应力集中值较小，为152MPa。

4.结果
结构件的验证优化功能的使用减少了样机试制阶段生产工艺等方面的成本投入10%以上，三维布管功能使得液压管路系统缩短设计周期30%以上，Inventor软件在整个项目的实施加快了产品推向市场的步伐，显著提升了产品的经济效益。

四、结语
本文通过对某型履带起重机的伸缩履带式底盘应用Autodesk Inventor进行建模设计实现产品研发，Autodesk Inventor设计平台以其简单明了的设计流程和优异的设计功能支撑了从产品前期的方案设计到后期的结构受力分析优化。

我们应当根据当前对履带底盘设计经验和应用Inventor软件性能技巧进行总结，明确设计流程，固化设计模板，强化关键操作环节，锻炼设计思维空间，使以后在设计产品的过程中少走弯路，提升设计的效率，推进产品研发的速度。