使用Adams對回轉支承進行通用化設計

THCM預計節省1500萬盧比，并縮短開發驗證時間

塔塔日立工程機械有限公司（THCM）是塔塔汽車公司和日本日立工程機械公司在印度的合資公司。THCM在機械領域的產品包括挖掘機、輪式裝載機、反鏟裝載機、壓土機、運輸攪拌車、自卸卡車、機械起重機、電動平地機和堆垛機。公司有三個生產基地，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，為了應對這種影響，THCM在積極創造最好產品的同時，通過提升運營效率、降低成本來減少設計支出。

為了上述目標，THCM開始對14噸及13噸兩種挖掘機的轉動軸承進行通用化設計。

挖掘機由鏟斗、斗桿、動臂及各自的油缸，還有上部結構與下部支撐組成。團隊需要研究上部結構與下部支撐的連接，這是由一個回轉支承（帶內外圈的滾子軸承）完成的。它的作用不僅是傳遞載荷,而且實現了上部結構與下部支撐的旋轉運動。

轉動軸承的通用化設計有助于降低產品成本。使用傳統分析進行此項工作需要幾個月的繁瑣計算，而使用Adams進行真實載荷工況下的計算能夠快速驗證設計，縮短開發周期。

Adams運用了多體動力學的方法，首先使用約束、襯套、驅動及力對兩種挖掘機進行建模，為了更準確的接近物理樣機，模型包含了所有結構件及慣性載荷。活塞桿端和銷軸使用了直線副，其他銷軸使用了旋轉副，轉動軸承螺栓用襯套模擬，并在履帶與地面及鏟斗與地面設置了接觸，使用腳本進行仿真，進而獲取真實的運動。

根據測試及經驗，團隊確定了兩種載荷工況。一種是轉動-碰撞，能夠產生側向載荷；一種是釋放-抓取，能夠產生縱向載荷。這兩種工況能夠對轉動軸承產生最極端的載荷，進而傳遞到軸承螺栓上。

在轉動-碰撞工況，將轉動馬達的力矩作為輸入，在轉動速度作用下鏟斗將會與固定塊產生撞擊，從而在轉動軸承處產生極大的力及力矩。在釋放-抓取工況，施加了慣性力，使用驅動對油缸進行加載，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。

在通用化項目之前，團隊已經做了基礎模型的設計，包含基礎模型的CAD。多體模型從現場操作及試驗中獲取信息，并產生載荷。這些載荷將被用到最終評價軟件中，從而獲取應力信息并與實際的測試數據進行對比。在應力層面進行對比，是因為每個部件都可以獲取應力。加入應力能夠匹配，則凍結多體模型，否則需要修改多體模型。

準備好基礎模型后，在多體模型中更換通用化的部件，對比應力，通過應力水平對設計進行評價，應力水平應低于基礎值。如果應力滿足要求，將會進一步進行部件開發、樣機測試及量產化。如果不滿足要求，將會修改通用化結構。

原始的轉動軸承有32個螺栓，新的設計有37個，雖然增加了螺栓的數量，但是新的設計減重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，這點保證了設計優化。

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

轉動軸承的通用化設計具有很強的商業價值，根據市場需求,每年可以節約1500萬盧比。

使用Adams進行產品驗證及開發能夠幫助減少工程驗證時間，此項計劃以前需要數月，而現在只需要數周。

通用化設計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行通用化設計，通過虛擬的驗證技術，減少復雜的試驗，幫助公司保持市場份額。