模块运输车动力单元的设计及优化

【摘 要】动力单元设计是模块运输车设计中非常重要的一个环节，研究如何在较小的空间内设计布置出可以输出大功率驱动液压系统并能保证框架结构强度、各机构正常工作的动力单元尤为重要。根据模块运输车工作的实际需求，结合以往类似产品的结构形式和设计经验，分析模块运输车动力单元的已知参数，建立相关的设计模型，进行安装架结构设计及有限元分析、发动机选型匹配及成套设计、动力单元的布置及优化设计。

【关键词】模块运输车；动力单元；有限元分析；优化设计

模块运输车是一种自带动力、静液压驱动、液压悬挂升降、可实现模块式组合并车的重型运输设备，在钢厂、港口、大型钢箱梁制造基地等领域中，广泛应用于大型钢箱梁节段的场内运输[1]，图1为6轴模块运输车结构图。模块运输车的工作过程可描述为：通过轮组上的升降系统降低运输车自身高度后，自行驶入待运载货物下方，然后通过升降系统升高车架顶升起货物，最后利用轮组的动力转向系统将货物转运到任意指定的地方，整个过程无需其它起吊设备辅助。动力单元的作用是为模块车提供走行、转向驱动力。

模块运输车动力单元的设计，即通过液压系统的计算在满足工作要求的情况下，对动力单元较小空间内的设计布置，尤其是发动机总成的布置，并能保证动力单元安装架结构强度、各机构正常工作、液压及发动机系统散热良好。如何设计动力单元内部各部件之间的相对位置，使各部件能完成其工作职能并便于安装、更换、维护，是整个产品设计中的一个重点和难点。目前，模块运输车的设计大多属于面向订单的设计，根据施工需要要求动力单元本身不带走行轮组，对整体高度有严格的要求，为此，如何在有限的空间下设计出具有大功率输出功能的动力单元，使模块运输车适应更为严格的工况，已成为企业竞争取得成功的关键[2-3]。本文以某型号模块运输车动力单元为研究对象，在对其结构进行分析的基础上，结合整车的参数需求进行设计，通过有限元计算进行分析及优化，快速有效地得到动力单元结构的最优结果。

1 动力单元的总体设计

模块车动力单元在发动机输出端装有分动箱，由分动箱分别驱动液压走行马达及均衡、转向马达，具有结构紧凑，传动效率高的特点。动力单元主体采用框架式结构，侧面及顶面多处使用栅格板封面，以加强通风散热效果，框架与车体之间采用上部调节油缸连接、下部铰轴连接的连接方式，可通过收缩调节油缸抬起动力单元前端，根据现场需要形成0°～10°的仰角，以提高整车接近角和离地角适应行驶道路的纵向坡度。

设计时，将客户提出的工作条件以及工作环境等为已知条件，通过分析模块车的工作参数及类型，建立适合的动力单元初步模型。模块运输车依据客户需求及使用条件，对整车尺寸提出了长宽高的外形要求，对模块车动力单元也由整车条件提出其外形要求，其中对高度要求最高，动力单元整体高度需小于850mm，外形尺寸为3700×3000×850mm。

2 动力单元的组成

动力单元的主要由动力系统、液压系统及电气系统三大部分组成，其中动力系统由发动机、分动箱、空气滤清器、进气散热器、中间冷却器、消音器、蓄电池、燃油箱组成；压系统由液压油冷却器、液压泵、液压油箱、调节油缸组成；电气系统由各电气元件、控制器集成于两个电气控制柜内。对动力单元内的组成部分进行布置，见图2。

3 动力单元的设计过程

3.1 液压及动力系统计算及发动机选型

依据液压系统的计算，见表1：

根据表1中液压系统的计算结果，同时参考各发动机厂家产品库中已有的发动机产品，选择了满足动力单元尺寸需求特别是高度需求的发动机产品，为德国MAN公司的MU6876型卧式柴油机，该发动机功率参数为375kw/2100r。

3.2 安装架设计及各部件的布置

根据安装架及发动机的结构特点，发动机的安装方式采用悬挂式，发动机三点支撑，其中一点在风扇端支撑，另外两点通过分动箱两个支腿支撑，而分动箱与发动机飞轮壳连接。液压油泵通过分动箱的联轴器与发动机飞轮连接，以用于发动机输出功率。

通过布置发动机、分动箱、空气滤清器、进气散热器、中间冷却器、消音器、蓄电池、燃油箱、液压油冷却器、液压泵、液压油箱、调节油缸及两个电气控制柜等部件初步完成安装架的设计，安装架由各型号矩形管焊接而成。

3.3 各部件的调整及安装架结构强度的优化

通过动力单元内各部件在安装架内的布置情况进行三维建模，对各部分之间有相互干涉、影响使用、不便于维护的部件位置进行调整，其别对发动机的散热系统进行了调整及试验，使各部件能在安装架内发挥各自的职能。

各部件位置固定后，依据总体受力、各部件受力及动力单元振动情况，对安装架进行有限元分析，对于某些应力集中的位置进行了优化和补强，从而保证了整个动力单元的使用强度。优化后的动力单元安装架的有限元分析结果如图3。

4 结论

本文以某型号模块运输车为例，分析了动力单元结构的的设计过程，该设计的成果受到客户的广泛好评，成品如图4所示。

该模块运输车的动力单元得到了满足所有约束条件的结构参数值最优组合，快速准确地实现了动力单元结构的优化设计。整个动力单元设计具有如下特点：（1）该动力单元的设计在同功率输出的模块车中，结构紧凑，动力单元高度达到了极限尺寸，有效的满足了整车的应用需求；（2）该动力单元的设计具有模块化的特点，可实现不同类型模块车的互换。此外，该设计及优化方法适用于与动力单元相似的产品的设计中，对其它产品的设计具有一定的参考价值。

【参考文献】

[1]刘楠，仲梁维.起重机车轮组的快速参数化设计研究[J].港工技术，2012，49（3）：15-18.

[2]张质文.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，1998.

[3]阮日升.门式起重机参数化设计系统关键技术研究[J].机械设计与制造，2010（1）：16-18.