使用Adams對回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)

THCM預(yù)計(jì)節(jié)省1500萬盧比，并縮短開發(fā)驗(yàn)證時(shí)間

塔塔日立工程機(jī)械有限公司（THCM）是塔塔汽車公司和日本日立工程機(jī)械公司在印度的合資公司。THCM在機(jī)械領(lǐng)域的產(chǎn)品包括挖掘機(jī)、輪式裝載機(jī)、反鏟裝載機(jī)、壓土機(jī)、運(yùn)輸攪拌車、自卸卡車、機(jī)械起重機(jī)、電動(dòng)平地機(jī)和堆垛機(jī)。公司有三個(gè)生產(chǎn)基地，位于Jamshedpur、Dharwad和Kharagpur。

由于新冠肺炎的影響，大量公司都面臨訂單縮減，為了應(yīng)對這種影響，THCM在積極創(chuàng)造最好產(chǎn)品的同時(shí)，通過提升運(yùn)營效率、降低成本來減少設(shè)計(jì)支出。

為了上述目標(biāo)，THCM開始對14噸及13噸兩種挖掘機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)。

挖掘機(jī)由鏟斗、斗桿、動(dòng)臂及各自的油缸，還有上部結(jié)構(gòu)與下部支撐組成。團(tuán)隊(duì)需要研究上部結(jié)構(gòu)與下部支撐的連接，這是由一個(gè)回轉(zhuǎn)支承（帶內(nèi)外圈的滾子軸承）完成的。它的作用不僅是傳遞載荷,而且實(shí)現(xiàn)了上部結(jié)構(gòu)與下部支撐的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的通用化設(shè)計(jì)有助于降低產(chǎn)品成本。使用傳統(tǒng)分析進(jìn)行此項(xiàng)工作需要幾個(gè)月的繁瑣計(jì)算，而使用Adams進(jìn)行真實(shí)載荷工況下的計(jì)算能夠快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期。

使用Adams的多體動(dòng)力學(xué)方法

Adams運(yùn)用了多體動(dòng)力學(xué)的方法，首先使用約束、襯套、驅(qū)動(dòng)及力對兩種挖掘機(jī)進(jìn)行建模，為了更準(zhǔn)確的接近物理樣機(jī)，模型包含了所有結(jié)構(gòu)件及慣性載荷。活塞桿端和銷軸使用了直線副，其他銷軸使用了旋轉(zhuǎn)副，轉(zhuǎn)動(dòng)軸承螺栓用襯套模擬，并在履帶與地面及鏟斗與地面設(shè)置了接觸，使用腳本進(jìn)行仿真，進(jìn)而獲取真實(shí)的運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)測試及經(jīng)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)確定了兩種載荷工況。一種是轉(zhuǎn)動(dòng)-碰撞，能夠產(chǎn)生側(cè)向載荷；一種是釋放-抓取，能夠產(chǎn)生縱向載荷。這兩種工況能夠?qū)D(zhuǎn)動(dòng)軸承產(chǎn)生最極端的載荷，進(jìn)而傳遞到軸承螺栓上。

在轉(zhuǎn)動(dòng)-碰撞工況，將轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)的力矩作為輸入，在轉(zhuǎn)動(dòng)速度作用下鏟斗將會與固定塊產(chǎn)生撞擊，從而在轉(zhuǎn)動(dòng)軸承處產(chǎn)生極大的力及力矩。在釋放-抓取工況，施加了慣性力，使用驅(qū)動(dòng)對油缸進(jìn)行加載，從原始位置開始，直到斗桿伸展到最大位置并停止，然后在重力作用下釋放。

對基礎(chǔ)模型進(jìn)行測試

在通用化項(xiàng)目之前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做了基礎(chǔ)模型的設(shè)計(jì)，包含基礎(chǔ)模型的CAD。多體模型從現(xiàn)場操作及試驗(yàn)中獲取信息，并產(chǎn)生載荷。這些載荷將被用到最終評價(jià)軟件中，從而獲取應(yīng)力信息并與實(shí)際的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。在應(yīng)力層面進(jìn)行對比，是因?yàn)槊總€(gè)部件都可以獲取應(yīng)力。加入應(yīng)力能夠匹配，則凍結(jié)多體模型，否則需要修改多體模型。

準(zhǔn)備好基礎(chǔ)模型后，在多體模型中更換通用化的部件，對比應(yīng)力，通過應(yīng)力水平對設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)，應(yīng)力水平應(yīng)低于基礎(chǔ)值。如果應(yīng)力滿足要求，將會進(jìn)一步進(jìn)行部件開發(fā)、樣機(jī)測試及量產(chǎn)化。如果不滿足要求，將會修改通用化結(jié)構(gòu)。

原始的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承有32個(gè)螺栓，新的設(shè)計(jì)有37個(gè)，雖然增加了螺栓的數(shù)量，但是新的設(shè)計(jì)減重35kg。在多體模型中，允許螺栓是不等間距的，能夠減少螺栓的最大載荷，在撞擊下載荷分配更加均勻，這點(diǎn)保證了設(shè)計(jì)優(yōu)化。

當(dāng)獲取到螺栓處的載荷后，將被施加到主車架的有限元模中，對比基礎(chǔ)模型及通用化平臺的應(yīng)力水平，結(jié)果表示重新布置的螺栓在兩種工況下都能夠減少特定區(qū)域的應(yīng)力集中。

顯著減少生成成本及設(shè)計(jì)時(shí)間

轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的通用化設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的商業(yè)價(jià)值，根據(jù)市場需求,每年可以節(jié)約1500萬盧比。

使用Adams進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證及開發(fā)能夠幫助減少工程驗(yàn)證時(shí)間，此項(xiàng)計(jì)劃以前需要數(shù)月，而現(xiàn)在只需要數(shù)周。

通用化設(shè)計(jì)能夠避免使用新的夾具，減少制造變更。未來，將會在更多部件上進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)，通過虛擬的驗(yàn)證技術(shù)，減少復(fù)雜的試驗(yàn)，幫助公司保持市場份額。