低平板組合掛車分載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳東發(fā) 馬力 謝婷婷

CHEN Dong-fa et al

武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 湖北武漢 430070

1 前言

在運(yùn)輸過(guò)程中，低平板組合掛車的承載能力是由低貨臺(tái)及其與車輛模塊的拼車連接結(jié)構(gòu)的承載能力共同決定的。國(guó)內(nèi)外常見的車輛模塊及其拼車連接結(jié)構(gòu)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，低貨臺(tái)的拼車連接結(jié)構(gòu)也與之相適應(yīng)，目前國(guó)內(nèi)常用的拼車連接結(jié)構(gòu)的最大承載能力為230 t，使得低平板組合掛車的承載能力也不能超過(guò)230 t。然而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需要低平板組合掛車承擔(dān)更大噸位的運(yùn)輸任務(wù)越來(lái)越多，因此，在拼車連接結(jié)構(gòu)不變的情況下提高低平板組合掛車的承載能力已越來(lái)越重要。目前，國(guó)內(nèi)主要通過(guò)使用高強(qiáng)度材料和采用輕量化的方法來(lái)直接或間接地提高低平板組合掛車的承載能力[1-3]。本文研究了低平板組合掛車的分載問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了一種分載系統(tǒng)，它可使部分貨物的質(zhì)量直接分載到前后車輛模塊上，使拼車連接結(jié)構(gòu)的載荷不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，以此利用車輛模塊軸線數(shù)可增加的特性來(lái)整體提高低平板組合掛車的承載能力。文中給出了分載系統(tǒng)的分載原理，進(jìn)行了分載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)典型車輛建立了有限元模型并進(jìn)行了有限元分析。計(jì)算結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的分載系統(tǒng)是可行且有效的。

2 分載原理和方案

低平板組合掛車由車輛模塊和低貨臺(tái)通過(guò)拼車連接結(jié)構(gòu)拼接而成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。理論上低平板組合掛車可以通過(guò)增加車輛模塊的軸線數(shù)增加整車的承載能力，然而由于拼車連接結(jié)構(gòu)的承載能力有限，導(dǎo)致整車的承載能力受到限制。因此，設(shè)計(jì)了一種分載系統(tǒng)，將部分載質(zhì)量直接分載到車輛模塊上，使拼車連接結(jié)構(gòu)受到的力在其可承受的范圍之內(nèi)，避免車輛模塊及其連接結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)導(dǎo)致車輛模塊喪失拼車標(biāo)準(zhǔn)性和通用性，已經(jīng)顯得越來(lái)越重要。

本文設(shè)計(jì)的分載系統(tǒng)采用拱橋的原理實(shí)現(xiàn)分載，其裝車結(jié)構(gòu)如圖2所示。分載系統(tǒng)主要由拱形分載橋、支座和液壓油缸組成。拱形分載橋通過(guò)銷軸鉸接在支座上，支座通過(guò)螺栓固定在車輛模塊上，液壓油缸的上下端分別與拱形分載橋和低貨臺(tái)連接，共設(shè)計(jì)了8個(gè)液壓油缸。拱形分載橋的主要作用是承接和傳遞分載力；支座的作用是固支以及將拱形分載橋傳來(lái)的力傳到車輛模塊上；液壓油缸起著吊索的作用，同時(shí)通過(guò)改變油壓可以調(diào)節(jié)和控制分載力。在運(yùn)輸貨物時(shí)，分載力通過(guò)液壓油缸傳遞到拱形分載橋上，再通過(guò)拱形分載橋傳遞到支座上，最后通過(guò)支座傳遞到車輛模塊上，從而起到分載的目的。對(duì)于不同噸位的貨物運(yùn)輸，可根據(jù)需要，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓油缸的油壓來(lái)改變分載力的大小，以確保拼車連接結(jié)構(gòu)承受的載荷始終在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

低平板組合掛車的拼車連接結(jié)構(gòu)是用于連接低貨臺(tái)和車輛模塊的結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由接觸端面、連接孔和拼接耳板組成。低貨臺(tái)與車輛模塊下部由拼接耳板通過(guò)連接銷鉸接在一起，由銷軸傳遞連接力，上部主要通過(guò)連接端面連接。

為了確保分載系統(tǒng)的有效性，有必要對(duì)分載前后的車輛模塊及其拼車連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。由于圖2所示的低平板組合掛車是前后對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此只需取前車輛模塊及其拼車連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。圖4為加裝分載系統(tǒng)后前車輛模塊及其拼車連接結(jié)構(gòu)的受力簡(jiǎn)圖，其中，低貨臺(tái)與車輛模塊剛性連接。分載系統(tǒng)及低貨臺(tái)的質(zhì)量相對(duì)于載質(zhì)量而言較小，因此忽略分載系統(tǒng)及低貨臺(tái)的重力因素。圖4中，A為拼車連接結(jié)構(gòu)的接觸端面，B為拼接耳板，C點(diǎn)為各車輪支撐反力的合力位置，一般位于車輛模塊的中心。設(shè)F1為各車輪支撐反力的合力，作用點(diǎn)在C處；若不計(jì)接觸端面A的摩擦力，則A處只受到來(lái)自低貨臺(tái)的水平接觸力，設(shè)該水平力為F2； F3、F4分 別為連接銷對(duì)B的水平力和垂直力；F5、F6分別為支座受到的垂直力和水平力。用L1表示C和B之間的水平距離，L2表示A與B之間的垂直距離，L3表示支座的高度，L4表示支座中心至A的水平距離。

圖4中總共有6個(gè)力，設(shè)貨物質(zhì)量為W，分載系統(tǒng)液壓油缸的油壓為P，油缸的活塞面積為S。按8個(gè)油缸計(jì)算，則可推導(dǎo)出其中兩個(gè)力F1和F5：

剩余4個(gè)未知力F2、F3、F4和F6，不能用三個(gè)平衡方程求出。由于F6的大小與拱形分載橋和支座的設(shè)計(jì)有關(guān)，可將F2、F3和F4用F1、F5和F6表示。根據(jù)力矩平衡和力平衡方程可得：

當(dāng)車輛制動(dòng)或加速時(shí)，F(xiàn)5和F6會(huì)發(fā)生變化，變化情況取決于分載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，由于低平板組合掛車的運(yùn)輸速度較低，F(xiàn)5和F6的變化情況可通過(guò)有限元計(jì)算得到。加裝分載系統(tǒng)后，拼車連接結(jié)構(gòu)受力的公式即為式(1)，此時(shí)，若令F5=0，F(xiàn)6=0，則可得到未加裝分載系統(tǒng)的拼車連接結(jié)構(gòu)的接觸端面及拼接耳板的受力公式：

由于F5、F6、L2、L3和L4皆為正值，因此可得出式(1)中的F2、F3和F4比 式(2)中的F′2、F′3和F′4小，即加裝分載系統(tǒng)后，拼車連接結(jié)構(gòu)接觸端面所受力和拼接耳板所受垂直力以及水平力都減小了，減小的程度與F5和F6的 大小有關(guān)，其中F5的大小可通過(guò)改變液壓油缸的油壓來(lái)調(diào)節(jié)，F(xiàn)6則與拱形分載橋及支座的設(shè)計(jì)有關(guān)。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)油壓以及合理的分載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證拼車連接結(jié)構(gòu)受到的力始終在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

4 分載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)分載原理和結(jié)構(gòu)的受力分析，以某企業(yè)生產(chǎn)的典型車輛為例進(jìn)行分載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求原本最大承載量為230 t的低平板組合掛車在加裝分載系統(tǒng)后，至少可以承載300 t的貨物。取載荷系數(shù)為1.2，則要求分載系統(tǒng)至少分載130 t的質(zhì)量。

4.1 拱形分載橋的設(shè)計(jì)

拱形分載橋?yàn)榉州d系統(tǒng)中的傳力機(jī)構(gòu)，是將載荷成功分載到前后車輛模塊的關(guān)鍵。根據(jù)低貨臺(tái)相關(guān)參數(shù)及貨物尺寸，取拱形分載橋軸線拱高h(yuǎn)=2200 mm，跨距l(xiāng)k=22000 mm，其軸線函數(shù)為：

式中，h為拱形橋拱高，l為拱形橋跨距。

為了減輕自重，拱形梁采用矩形截面的空心梁，材料為鋼板，截面尺寸（寬×高）為300 mm×500 mm，上下面板厚取12 mm，左右腹板厚為8 mm。為了增加拱形分載橋的穩(wěn)定性，在兩個(gè)分載梁中間焊接9根穩(wěn)定橫梁，其焊接位置如圖5所示 。穩(wěn)定橫梁取截面為圓形的空心梁，經(jīng)過(guò)計(jì)算，取其外徑為140 mm，壁厚為8 mm 。

4.2 液壓油缸和支座的設(shè)計(jì)

液壓缸按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同可分為多種，選擇雙作用單活塞桿液壓缸作為分載系統(tǒng)的液壓油缸。分載系統(tǒng)的分載量為130 t，一共有8個(gè)油缸，所以，每個(gè)油缸要求的負(fù)載為16.25 t。若油缸的工作壓力取10 MPa，根據(jù)計(jì)算可得出液壓油缸的各個(gè)參數(shù)：缸體外徑D1=184 mm，缸體厚度δ=16 mm，液壓缸內(nèi)徑D=160 mm，活塞桿外徑d=70 mm。

支座為盒型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部焊接有若干個(gè)加強(qiáng)板，左右兩邊各設(shè)一組連接耳與拱形分載橋鉸接，底部則通過(guò)6個(gè)螺栓固定在車輛模塊的車架上。支座所用的板件皆為厚度為30 mm的鋼板，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5 結(jié)構(gòu)有限元分析和支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)低貨臺(tái)及分載系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，可以檢驗(yàn)分載系統(tǒng)的分載效果及設(shè)計(jì)的合理性。分析時(shí)，設(shè)貨物的質(zhì)量為300 t，取安全裝載系數(shù)為1.2，則整車承擔(dān)的載荷為360 t，每個(gè)油缸的負(fù)載為16.25 t。低貨臺(tái)和分載系統(tǒng)使用的材料均為屈服極限為800 MPa的高強(qiáng)度鋼。

5.1 低貨臺(tái)的有限元分析

低平板組合掛車主要用于特種重型裝備的場(chǎng)地運(yùn)輸或規(guī)劃運(yùn)輸，且液壓模塊車輛的車輪具有調(diào)平作用，因此只需考慮正常行駛的工況即可。由于低貨臺(tái)為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此只需取其1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。圖7為加裝分載系統(tǒng)后低貨臺(tái)的應(yīng)力分布云圖，圖中區(qū)域1為拼車連接結(jié)構(gòu)的接觸端面，區(qū)域2和區(qū)域3為拼接耳板根部的上緣和下緣，3個(gè)區(qū)域?yàn)闃O易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域。計(jì)算結(jié)果表明，加裝分載系統(tǒng)后的低貨臺(tái)整體應(yīng)力水平較低，基本在200 MPa以下，僅區(qū)域3的局部地區(qū)應(yīng)力在400 MPa左右，最大應(yīng)力僅為572 MPa，滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。

在同等的載重條件下，對(duì)未加裝分載系統(tǒng)的低貨臺(tái)進(jìn)行有限元分析，其應(yīng)力分布云圖如圖8所示。計(jì)算結(jié)果表明，貨臺(tái)部分應(yīng)力基本在400 MPa以下，滿足強(qiáng)度要求，然而圖7所圈出的3個(gè)區(qū)域應(yīng)力集中非常嚴(yán)重。區(qū)域1中有相當(dāng)一部分區(qū)域的應(yīng)力超過(guò)了600 MPa，區(qū)域2和區(qū)域3中應(yīng)力水平在600 MPa以上的區(qū)域已經(jīng)成片，最大應(yīng)力達(dá)到1140 MPa。因此，若用未加分載系統(tǒng)的低平板組合掛車運(yùn)輸300 t貨物，其拼車連接結(jié)構(gòu)將遭到破壞。

5.2 分載系統(tǒng)的有限元分析

分載系統(tǒng)為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此只需取其1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，分析時(shí)去掉了液壓油缸部分，將油缸傳遞的分載力直接作為外載施加到拱形分載梁上。圖9為分載系統(tǒng)的應(yīng)力云圖。計(jì)算表明，分載系統(tǒng)的整體應(yīng)力不高，基本都在300 MPa以下，最大應(yīng)力為384 MPa。支座除少數(shù)區(qū)域外大部分區(qū)域應(yīng)力水平也都在300 MPa以下，最大應(yīng)力為364 MPa。

5.3 支座的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

由分載系統(tǒng)的有限元分析可知，支座的整體應(yīng)力水平不高，且初步設(shè)計(jì)的支座質(zhì)量偏大，因此有必要對(duì)支座進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。將支座的底板和連接耳板設(shè)置為非設(shè)計(jì)區(qū)域，其余的為設(shè)計(jì)區(qū)域。以結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于600 MPa為約束條件，結(jié)構(gòu)體積最小為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)區(qū)域單元密度為設(shè)計(jì)變量對(duì)支座進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算，找到支座的最佳載荷傳遞路徑，對(duì)得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的可制造處理，得到支座的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)圖，如圖10所示。

對(duì)支座拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖11所示。計(jì)算結(jié)果表明，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后，支座整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為304 MPa，位于耳板下斜叉與底板的焊接處，與結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)過(guò)渡有關(guān)。將拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)前后的支座進(jìn)行對(duì)比可得，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)之后，支座的最大應(yīng)力下降了16%，質(zhì)量減輕了15%，可見對(duì)支座的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的效果良好。

6 結(jié)語(yǔ)

a. 受力分析及有限元計(jì)算結(jié)果表明，分載系統(tǒng)的思路和原理是可行的，分載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有效的，結(jié)構(gòu)滿足分載要求和強(qiáng)度要求，可以利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)化和通用化車輛模塊實(shí)現(xiàn)300 t貨物的安全運(yùn)輸；

b. 對(duì)于質(zhì)量為300 t以上的貨物運(yùn)輸，可以利用本文的分載原理和設(shè)計(jì)思路定制相應(yīng)的分載系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化車輛模塊，實(shí)現(xiàn)更大載荷貨物的低平板運(yùn)輸。

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