海克斯康设计仿真 | Adams进行关键结构通用化设计的工程价值

使用Adams对回转支承进行通用化设计

THCM预计节省1500万卢比，并缩短开发验证时间

塔塔日立工程机械有限公司（THCM）是塔塔汽车公司和日本日立工程机械公司在印度的合资公司。THCM在机械领域的产品包括挖掘机、轮式装载机、反铲装载机、压土机、运输搅拌车、自卸卡车、机械起重机、电动平地机和堆垛机。公司有三个生产基地，位于Jamshedpur、Dharwad和Kharagpur。

由于新冠肺炎的影响，大量公司都面临订单缩减，为了应对这种影响，THCM在积极创造最好产品的同时，通过提升运营效率、降低成本来减少设计支出。

为了上述目标，THCM开始对14吨及13吨两种挖掘机的转动轴承进行通用化设计。

挖掘机由铲斗、斗杆、动臂及各自的油缸，还有上部结构与下部支撑组成。团队需要研究上部结构与下部支撑的连接，这是由一个回转支承（带内外圈的滚子轴承）完成的。它的作用不仅是传递载荷,而且实现了上部结构与下部支撑的旋转运动。

转动轴承的通用化设计有助于降低产品成本。使用传统分析进行此项工作需要几个月的繁琐计算，而使用Adams进行真实载荷工况下的计算能够快速验证设计，缩短开发周期。

使用Adams的多体动力学方法

Adams运用了多体动力学的方法，首先使用约束、衬套、驱动及力对两种挖掘机进行建模，为了更准确的接近物理样机，模型包含了所有结构件及惯性载荷。活塞杆端和销轴使用了直线副，其他销轴使用了旋转副，转动轴承螺栓用衬套模拟，并在履带与地面及铲斗与地面设置了接触，使用脚本进行仿真，进而获取真实的运动。

根据测试及经验，团队确定了两种载荷工况。一种是转动-碰撞，能够产生侧向载荷；一种是释放-抓取，能够产生纵向载荷。这两种工况能够对转动轴承产生最极端的载荷，进而传递到轴承螺栓上。

在转动-碰撞工况，将转动马达的力矩作为输入，在转动速度作用下铲斗将会与固定块产生撞击，从而在转动轴承处产生极大的力及力矩。在释放-抓取工况，施加了惯性力，使用驱动对油缸进行加载，从原始位置开始，直到斗杆伸展到最大位置并停止，然后在重力作用下释放。

对基础模型进行测试

在通用化项目之前，团队已经做了基础模型的设计，包含基础模型的CAD。多体模型从现场操作及试验中获取信息，并产生载荷。这些载荷将被用到最终评价软件中，从而获取应力信息并与实际的测试数据进行对比。在应力层面进行对比，是因为每个部件都可以获取应力。加入应力能够匹配，则冻结多体模型，否则需要修改多体模型。

准备好基础模型后，在多体模型中更换通用化的部件，对比应力，通过应力水平对设计进行评价，应力水平应低于基础值。如果应力满足要求，将会进一步进行部件开发、样机测试及量产化。如果不满足要求，将会修改通用化结构。

原始的转动轴承有32个螺栓，新的设计有37个，虽然增加了螺栓的数量，但是新的设计减重35kg。在多体模型中，允许螺栓是不等间距的，能够减少螺栓的最大载荷，在撞击下载荷分配更加均匀，这点保证了设计优化。

当获取到螺栓处的载荷后，将被施加到主车架的有限元模中，对比基础模型及通用化平台的应力水平，结果表示重新布置的螺栓在两种工况下都能够减少特定区域的应力集中。

显著减少生成成本及设计时间

转动轴承的通用化设计具有很强的商业价值，根据市场需求,每年可以节约1500万卢比。

使用Adams进行产品验证及开发能够帮助减少工程验证时间，此项计划以前需要数月，而现在只需要数周。

通用化设计能够避免使用新的夹具，减少制造变更。未来，将会在更多部件上进行通用化设计，通过虚拟的验证技术，减少复杂的试验，帮助公司保持市场份额。

（海克斯康工业软件）

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