寬體車車架結(jié)構(gòu)的有限元分析

自洗車包括自吸車和礦石自吸車。通常，礦區(qū)使用的車輛通常是重型自洗車或特殊自洗車。這種類型的礦渣在礦渣中行駛，道路通常是不規(guī)則的，發(fā)動(dòng)機(jī)和多輪車的高度或坍塌。車架是整車的核心構(gòu)件,其設(shè)計(jì)與制造水平,代表整車生產(chǎn)商的能力。礦用自卸車在運(yùn)行過(guò)程中,車架經(jīng)常發(fā)生疲勞斷裂事故。近年來(lái),由于市場(chǎng)特殊需求,衍生出一種非公路自卸卡車,俗稱“寬體車”。寬體車屬于礦用自卸車的一種,技術(shù)源自公路自卸卡車,系在公路自卸卡車基礎(chǔ)上,加強(qiáng)加寬底盤而來(lái)。寬體車的工作條件惡劣,要求車架較公路自卸卡車更加結(jié)實(shí),工作壽命更長(zhǎng),但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,自重不能太大,以免影響載質(zhì)量。傳統(tǒng)的車架強(qiáng)度的計(jì)算方法,是將車架簡(jiǎn)化成一簡(jiǎn)支梁進(jìn)行簡(jiǎn)單的彎曲強(qiáng)度計(jì)算,隨著有限元分析的導(dǎo)入,這比前一種計(jì)算方法更精確,但由于車輛在礦區(qū)使用的工況復(fù)雜,車架受力狀況亦復(fù)雜,要建立精確的數(shù)學(xué)模型和邊界條件非常困難,緊靠精確的理論計(jì)算是不夠的,還需要進(jìn)行精心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1車架縱梁結(jié)構(gòu)目前市場(chǎng)常見寬體車車架結(jié)構(gòu)的有3種:第一種為由高強(qiáng)度厚鋼板拼焊而成的箱形車架;第二種是由沖壓或折彎縱梁和橫梁拼焊而成的箱形車架;第三種類似公路自卸卡車車架,由沖壓或折彎梁鉚接而成的槽型車架。這3種車架結(jié)構(gòu)都屬于邊梁式結(jié)構(gòu),但縱梁和橫梁的結(jié)構(gòu)各異,造成制作工藝各異。第一種車架的縱梁結(jié)構(gòu)見圖1所示,這種縱梁結(jié)構(gòu)與重型剛性礦車結(jié)構(gòu)相似,對(duì)焊接工藝要求很高,整個(gè)縱梁要求全焊,目前采用的大多是埋弧焊接工藝。采取這種車架縱梁結(jié)構(gòu),橫梁一般采用整體鑄鋼件或鋼板拼焊后,與縱梁焊接聯(lián)接,整個(gè)車架為全封閉結(jié)構(gòu)。第二種車架的縱梁結(jié)構(gòu)見圖2所示,這種結(jié)構(gòu)同樣對(duì)焊接工藝要求很高,整個(gè)縱梁要求全焊,上下翼面均是受力面,而焊接位置處于對(duì)扣梁的折彎處,容易造成應(yīng)力集中。橫梁與縱梁鏈接,只能通過(guò)焊接方式聯(lián)接,同樣焊接位置也處于對(duì)扣梁的折彎處。第三種車架的縱梁結(jié)構(gòu)見圖3所示,這種結(jié)構(gòu)在普通公路卡車中運(yùn)用廣泛,俗稱“雙層梁”,內(nèi)外兩層梁的板厚組合一般有10mm+10mm、10mm+8mm、8mm+8mm、8mm+6mm等。采用這種縱梁結(jié)構(gòu),車架橫梁一般通過(guò)鉚接方式聯(lián)接,而懸架與車架的聯(lián)接,是通過(guò)螺栓聯(lián)接。整個(gè)車架屬于開放式槽形結(jié)構(gòu),一般縱梁和橫梁都是采用一次沖壓成型,方能確保精度要求。車架縱梁是車架承載質(zhì)量最為關(guān)鍵的機(jī)構(gòu),以上3種車架縱梁結(jié)構(gòu)各有利弊:(1)第一種結(jié)構(gòu)屬于全焊,焊接品質(zhì)都要求高,容易出現(xiàn)焊接變形等缺陷,由于車架長(zhǎng)度一般不小于8m,若采用埋弧焊,則焊接工裝非常大,但箱形結(jié)構(gòu)受力效果更好。(2)第二種結(jié)構(gòu)也屬于全焊,縱梁和橫梁若采用折彎成型,很難保證左右梁對(duì)扣拼焊后上下翼面的尺寸精度要求,同時(shí)焊接品質(zhì)很難保證;(3)第三種結(jié)構(gòu)目前被廣泛采用,工藝要求簡(jiǎn)單。采用這用結(jié)構(gòu)時(shí),一般要求整車載質(zhì)量不大,車廂與車架之間還設(shè)有副車架,避免直接沖擊車架。2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1最佳工藝設(shè)計(jì)的確定經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研,各類車架各有利弊,通過(guò)采集各種結(jié)構(gòu)車架的實(shí)際運(yùn)行故障,發(fā)現(xiàn):整車在運(yùn)行過(guò)程中,由于礦區(qū)路面凹凸不平,車架承受高強(qiáng)度的扭曲和沖擊,經(jīng)常造成斷裂和扭曲變形,嚴(yán)重影響到車輛的安全性,對(duì)懸架連接橫梁和中橫梁來(lái)說(shuō),該問(wèn)題非常突出。(1)寬體車設(shè)計(jì)的額定載荷,介于公路自卸卡車與重型剛性礦用自卸車之間,總質(zhì)量一般設(shè)計(jì)為40～80t,彌補(bǔ)了我國(guó)礦山運(yùn)輸設(shè)備的空白。在條件復(fù)雜,作業(yè)場(chǎng)地狹窄的采礦區(qū),有效取代了公路自卸卡車和重型礦用車,適應(yīng)性強(qiáng),需要設(shè)計(jì)一種車架總成,縱梁總成及各橫梁總成均為箱形結(jié)構(gòu),保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)固有點(diǎn),但要求結(jié)構(gòu)與工藝簡(jiǎn)單,強(qiáng)度大,工作壽命長(zhǎng)。(2)引入新的方法,對(duì)車架總成進(jìn)行了有限元分析,優(yōu)化各橫梁與縱梁聯(lián)接結(jié)構(gòu),降低應(yīng)力,提高車架的橫向抗扭強(qiáng)度,改善應(yīng)力分布,防止了斷裂和扭曲變形,提高安全可靠性。2.2結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)與工藝2.2.1外縱梁沖彎與沖彎結(jié)合的應(yīng)用縱梁是寬體車車架主要承載元件。目前寬體車縱梁有箱形變截面、槽形變截面兩種。根據(jù)箱形截面受力特點(diǎn),繼續(xù)保持其優(yōu)點(diǎn),但車架前段承受扭曲的強(qiáng)度小,同時(shí)為方便布置動(dòng)力總成、冷卻、進(jìn)排氣和駕駛室等系統(tǒng),采取縱梁箱形3種截面結(jié)構(gòu):即車架前部上下翼面高度較小,從發(fā)動(dòng)機(jī)前后懸置中心位置附近開始向逐漸加大,到駕駛室后懸置處達(dá)到最大,再往后保持平直,有利于布置車廂等上裝機(jī)構(gòu)。其縱梁箱形截面如圖4所示,縱梁由內(nèi)、外梁拼焊而成:外縱梁為一根整體梁,如圖5所示。前內(nèi)梁為加強(qiáng)板,后內(nèi)梁為折彎梁,并在中性層附近開有工藝孔,便于布置和安裝使用(見圖5所示),就形成了圖4所示的焊接形式。這樣的截面,保持了箱形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)簡(jiǎn)化外縱梁的制作工藝,為加強(qiáng)縱梁的強(qiáng)度,加大了L1高度值,滿足要求時(shí)一般不小于450mm,而L2高度值由整車布置確定。由于L1數(shù)值大,而寬體車生產(chǎn)能力一般不大,若采用沖壓工藝制作,則需要大型的沖壓設(shè)備和模具,無(wú)疑成本大增,且L1越大,成本越高。為簡(jiǎn)化工藝,制作縱梁只需采用折彎工藝即可,省去大型沖壓模具,只要控制好外縱梁折彎品質(zhì)和內(nèi)、外縱梁拼焊品質(zhì)。該結(jié)構(gòu)的內(nèi)梁起輔助承載作用,為降低焊接變形,采用分段焊,焊縫長(zhǎng)度為100mm左右。2.2.2梁和四梁結(jié)構(gòu)寬體車的車架橫梁與普通公路汽車類似,但橫梁較少,第一橫梁位于駕駛室前懸支座支承處,為簡(jiǎn)化工藝,設(shè)計(jì)成箱形梁(類似圖1所示結(jié)構(gòu));第二橫梁為加強(qiáng)梁,位于動(dòng)力總成輔助支承處和油缸與車架相交處,用圓管即可;第三橫梁為中橫梁,設(shè)計(jì)成箱形梁;第四橫梁為懸架連接梁,處于平衡懸架平衡軸中心處,設(shè)計(jì)成箱形聯(lián)接左右平衡懸架總成;第五橫梁為后橫梁,處于車架尾部,承載車廂傾翻時(shí)支座傳遞來(lái)的力,同樣設(shè)計(jì)成箱形結(jié)構(gòu)。(1)第一橫梁。此梁為箱形梁,見圖6所示,由4塊鋼板拼焊而成,重點(diǎn)承載來(lái)自駕駛室和保險(xiǎn)桿傳遞來(lái)的力,為簡(jiǎn)化工藝,直接將其與左右縱梁通過(guò)焊接方式聯(lián)接。(2)第三橫梁。此橫梁也為箱形梁,但在箱中增設(shè)有一加強(qiáng)梁,見圖7所示。(3)第四橫梁。第四橫梁結(jié)構(gòu)跟第三橫梁基本一致,根據(jù)平衡懸架總成結(jié)構(gòu)確定,見圖8所示。橫梁和縱梁都采取箱形結(jié)構(gòu),只是形成箱形結(jié)構(gòu)的方式不一樣,在設(shè)計(jì)這樣的結(jié)構(gòu)之前,充分考慮了車架總成的受力狀況,整個(gè)車架均是焊接而成,焊接量大,但工藝簡(jiǎn)單,在形成車架總成之前,先分布制作縱梁和各橫梁總成,最后只需要一副點(diǎn)焊工裝和變位器工裝。2.3鑄鋼件對(duì)鑄件屈服強(qiáng)度低合金高強(qiáng)度鋼板,是目前寬體車車架主要采用的材質(zhì)。橫梁一般采用屈服強(qiáng)度為350MPa,抗拉強(qiáng)度為600～700MPa,如果部分橫梁采用鑄鋼件,則鑄件屈服強(qiáng)度為240MPa即可?？v梁為主要承載元件,按現(xiàn)有設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),可以借鑒公路自卸卡車的大量材料,但屈服強(qiáng)度要求更高,目前公路自卸卡車一般采用510L鋼板(俗稱汽車大梁板),而寬體車要用到屈服強(qiáng)度700以上的高強(qiáng)度鋼板,甚者可以采用更高強(qiáng)度的特殊鋼板(比如SSAB的HARDOX系列鋼板),既可保證或增強(qiáng)強(qiáng)度,又可降低車架總體自重。3和兩種工況這種車架結(jié)構(gòu)是否合理,我們引入有限元分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。按照寬體車在實(shí)際工作中工作路線,重點(diǎn)選取了若干個(gè)典型危險(xiǎn)工況,進(jìn)行有限元分析,及滿載靜止和平穩(wěn)運(yùn)行、彎扭組合工況(轉(zhuǎn)彎、剎車、顛簸)、傾斜舉升作業(yè)等工況。分析結(jié)果顯示,車架出現(xiàn)故障和位置,與目前市場(chǎng)上寬體車車架的故障模式和位置一致,這表明我們的設(shè)計(jì)方向是正確的,同時(shí)顯示此次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),較目前市場(chǎng)其他結(jié)構(gòu)更好。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后,寬體車整車整備質(zhì)量控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi),載質(zhì)量與車架自重之比為1