宽体车车架结构的有限元分析

宽体车车架结构的有限元分析

自洗车包括自吸车和矿石自吸车。通常，矿区使用的车辆通常是重型自洗车或特殊自洗车。这种类型的矿渣在矿渣中行驶，道路通常是不规则的，发动机和多轮车的高度或坍塌。车架是整车的核心构件,其设计与制造水平,代表整车生产商的能力。矿用自卸车在运行过程中,车架经常发生疲劳断裂事故。近年来,由于市场特殊需求,衍生出一种非公路自卸卡车,俗称“宽体车”。宽体车属于矿用自卸车的一种,技术源自公路自卸卡车,系在公路自卸卡车基础上,加强加宽底盘而来。宽体车的工作条件恶劣,要求车架较公路自卸卡车更加结实,工作寿命更长,但结构简单,自重不能太大,以免影响载质量。传统的车架强度的计算方法,是将车架简化成一简支梁进行简单的弯曲强度计算,随着有限元分析的导入,这比前一种计算方法更精确,但由于车辆在矿区使用的工况复杂,车架受力状况亦复杂,要建立精确的数学模型和边界条件非常困难,紧靠精确的理论计算是不够的,还需要进行精心的结构设计。1车架纵梁结构目前市场常见宽体车车架结构的有3种:第一种为由高强度厚钢板拼焊而成的箱形车架;第二种是由冲压或折弯纵梁和横梁拼焊而成的箱形车架;第三种类似公路自卸卡车车架,由冲压或折弯梁铆接而成的槽型车架。这3种车架结构都属于边梁式结构,但纵梁和横梁的结构各异,造成制作工艺各异。第一种车架的纵梁结构见图1所示,这种纵梁结构与重型刚性矿车结构相似,对焊接工艺要求很高,整个纵梁要求全焊,目前采用的大多是埋弧焊接工艺。采取这种车架纵梁结构,横梁一般采用整体铸钢件或钢板拼焊后,与纵梁焊接联接,整个车架为全封闭结构。第二种车架的纵梁结构见图2所示,这种结构同样对焊接工艺要求很高,整个纵梁要求全焊,上下翼面均是受力面,而焊接位置处于对扣梁的折弯处,容易造成应力集中。横梁与纵梁链接,只能通过焊接方式联接,同样焊接位置也处于对扣梁的折弯处。第三种车架的纵梁结构见图3所示,这种结构在普通公路卡车中运用广泛,俗称“双层梁”,内外两层梁的板厚组合一般有10mm+10mm、10mm+8mm、8mm+8mm、8mm+6mm等。采用这种纵梁结构,车架横梁一般通过铆接方式联接,而悬架与车架的联接,是通过螺栓联接。整个车架属于开放式槽形结构,一般纵梁和横梁都是采用一次冲压成型,方能确保精度要求。车架纵梁是车架承载质量最为关键的机构,以上3种车架纵梁结构各有利弊:(1)第一种结构属于全焊,焊接品质都要求高,容易出现焊接变形等缺陷,由于车架长度一般不小于8m,若采用埋弧焊,则焊接工装非常大,但箱形结构受力效果更好。(2)第二种结构也属于全焊,纵梁和横梁若采用折弯成型,很难保证左右梁对扣拼焊后上下翼面的尺寸精度要求,同时焊接品质很难保证;(3)第三种结构目前被广泛采用,工艺要求简单。采用这用结构时,一般要求整车载质量不大,车厢与车架之间还设有副车架,避免直接冲击车架。2结构设计2.1最佳工艺设计的确定经过实地调研,各类车架各有利弊,通过采集各种结构车架的实际运行故障,发现:整车在运行过程中,由于矿区路面凹凸不平,车架承受高强度的扭曲和冲击,经常造成断裂和扭曲变形,严重影响到车辆的安全性,对悬架连接横梁和中横梁来说,该问题非常突出。(1)宽体车设计的额定载荷,介于公路自卸卡车与重型刚性矿用自卸车之间,总质量一般设计为40～80t,弥补了我国矿山运输设备的空白。在条件复杂,作业场地狭窄的采矿区,有效取代了公路自卸卡车和重型矿用车,适应性强,需要设计一种车架总成,纵梁总成及各横梁总成均为箱形结构,保持结构稳固有点,但要求结构与工艺简单,强度大,工作寿命长。(2)引入新的方法,对车架总成进行了有限元分析,优化各横梁与纵梁联接结构,降低应力,提高车架的横向抗扭强度,改善应力分布,防止了断裂和扭曲变形,提高安全可靠性。2.2结构与设计的设计与工艺2.2.1外纵梁冲弯与冲弯结合的应用纵梁是宽体车车架主要承载元件。目前宽体车纵梁有箱形变截面、槽形变截面两种。根据箱形截面受力特点,继续保持其优点,但车架前段承受扭曲的强度小,同时为方便布置动力总成、冷却、进排气和驾驶室等系统,采取纵梁箱形3种截面结构:即车架前部上下翼面高度较小,从发动机前后悬置中心位置附近开始向逐渐加大,到驾驶室后悬置处达到最大,再往后保持平直,有利于布置车厢等上装机构。其纵梁箱形截面如图4所示,纵梁由内、外梁拼焊而成:外纵梁为一根整体梁,如图5所示。前内梁为加强板,后内梁为折弯梁,并在中性层附近开有工艺孔,便于布置和安装使用(见图5所示),就形成了图4所示的焊接形式。这样的截面,保持了箱形结构的优点,同时简化外纵梁的制作工艺,为加强纵梁的强度,加大了L1高度值,满足要求时一般不小于450mm,而L2高度值由整车布置确定。由于L1数值大,而宽体车生产能力一般不大,若采用冲压工艺制作,则需要大型的冲压设备和模具,无疑成本大增,且L1越大,成本越高。为简化工艺,制作纵梁只需采用折弯工艺即可,省去大型冲压模具,只要控制好外纵梁折弯品质和内、外纵梁拼焊品质。该结构的内梁起辅助承载作用,为降低焊接变形,采用分段焊,焊缝长度为100mm左右。2.2.2梁和四梁结构宽体车的车架横梁与普通公路汽车类似,但横梁较少,第一横梁位于驾驶室前悬支座支承处,为简化工艺,设计成箱形梁(类似图1所示结构);第二横梁为加强梁,位于动力总成辅助支承处和油缸与车架相交处,用圆管即可;第三横梁为中横梁,设计成箱形梁;第四横梁为悬架连接梁,处于平衡悬架平衡轴中心处,设计成箱形联接左右平衡悬架总成;第五横梁为后横梁,处于车架尾部,承载车厢倾翻时支座传递来的力,同样设计成箱形结构。(1)第一横梁。此梁为箱形梁,见图6所示,由4块钢板拼焊而成,重点承载来自驾驶室和保险杆传递来的力,为简化工艺,直接将其与左右纵梁通过焊接方式联接。(2)第三横梁。此横梁也为箱形梁,但在箱中增设有一加强梁,见图7所示。(3)第四横梁。第四横梁结构跟第三横梁基本一致,根据平衡悬架总成结构确定,见图8所示。横梁和纵梁都采取箱形结构,只是形成箱形结构的方式不一样,在设计这样的结构之前,充分考虑了车架总成的受力状况,整个车架均是焊接而成,焊接量大,但工艺简单,在形成车架总成之前,先分布制作纵梁和各横梁总成,最后只需要一副点焊工装和变位器工装。2.3铸钢件对铸件屈服强度低合金高强度钢板,是目前宽体车车架主要采用的材质。横梁一般采用屈服强度为350MPa,抗拉强度为600～700MPa,如果部分横梁采用铸钢件,则铸件屈服强度为240MPa即可。纵梁为主要承载元件,按现有设计的结构,可以借鉴公路自卸卡车的大量材料,但屈服强度要求更高,目前公路自卸卡车一般采用510L钢板(俗称汽车大梁板),而宽体车要用到屈服强度700以上的高强度钢板,甚者可以采用更高强度的特殊钢板(比如SSAB的HARDOX系列钢板),既可保证或增强强度,又可降低车架总体自重。3和两种工况这种车架结构是否合理,我们引入有限元分析方法进行结构分析。按照宽体车在实际工作中工作路线,重点选取了若干个典型危险工况,进行有限元分析,及满载静止和平稳运行、弯扭组合工况(转弯、刹车、颠簸)、倾斜举升作业等工况。分析结果显示,车架出现故障和位置,与目前市场上宽体车车架的故障模式和位置一致,这表明我们的设计方向是正确的,同时显示此次设计的结构,较目前市场其他结构更好。通过优化设计后,宽体车整车整备质量控制在预设范围内,载质量与车架自重之比为1