專用運輸車副車架有限元分析

趙俊鵬， 姜大偉， 高 智， 陳珉珉， 宋國亞

（1.長春工業大學 機電工程學院，吉林 長春 130012；2.長春工業大學 應用技術學院，吉林 長春 130012）

0 引 言

副車架是連接防噴修井設備專用運輸車底盤車架（簡稱主車架）和上部總成結構的關鍵部件，它可以增強車架的承載力，增強主車架的受力和承載情況，避免出現應力集中，并且能夠起到緩沖作用，降低車輛震動，提高車輛穩定性、安全性和舒適性［1］。

防噴修井設備專用運輸車所承載的設備體積和質量較大，通常在25t左右，副車架作為運輸車的承載基體，承受上部設備傳給它的所有力和力矩。運輸車多在道路不平、崎嶇坎坷的運輸和作業條件下進行作業，車架必須有足夠的彎曲剛度，保證所承載的上部相關總成之間的相對位置在行駛和作業過程中保持不變，并使車身的變形量最小［2］；車架也必須有足夠的強度，以保證其有足夠的可靠性和壽命。

因此，在防噴修井設備專用運輸車副車架的設計計算之后，采用有限元法對其進行力學性能的計算、預測和仿真分析，對不同作業工況進行分析，確定設計的副車架結構是否合理及其優化方式，為防噴修井設備專用運輸車整車的設計提供了依據，也為其他車輛副車架的設計提供了參考。

1 副車架結構設計

副車架主要承受壓力載荷，在作業過程中起穩固支撐作用。根據防噴修井設備專用運輸車作業實際情況，為避免在運輸和作業過程中出現副車架沒有足夠的剛度來滿足安全作業要求［3］，現對副車架選材進行了理論計算。

副車架選材Q345，則可知材料的抗拉強度σb＝550MPa，安全系數S＝3。

則其許用切應力：

許用壓應力：

副車架縱梁受力：

式中：G總——副車架所受總應力；

M井——背負設備質量；

M翻——翻轉架質量。

縱梁截面總面積：

則單個縱梁截面面積：

縱梁選取熱軋普通槽鋼，總長度為9 285mm，寬度為58mm；橫梁選取冷彎空心型鋼，總長度為869.5mm，邊長B為140mm。

副車架總成如圖1所示。

圖1 副車架總成圖

2 有限元模型建立

利用CATIA中建立的模型轉成通用＊.stp格式導入到有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH中，為建立更為精確的模型，仿真結果更接近實際工況，又不因模型復雜導致計算量大而耗費資源過大，對CATIA所建模型進行簡化，去掉一些實際中結構較為復雜，但對模型整體受力影響較小的部件［4］。

在建模時，采取的簡化方法如下［5］：

1）去除副車架上的非承載件，忽略結構上的小圓孔、倒角等；

2）將結構中的焊接部位認為是理想焊接，焊接材料與副車架材料相同；

3）車架橫梁和縱梁之間采用殼單元模擬，懸架和縱梁之間采用螺栓和鉚釘，用梁單元模擬。

采用solid45實體單元對所建立的車架有限元模型進行網格劃分，定義劃分副車架的單元大小為20mm，車架的單元大小為30mm，用ANSYS WORKBENCH自帶的劃分網格功能進行網格劃分，分別對模型中焊接和鉚接各連接部位進行設定［6］。建立的劃分網格后的車架有限元模型如圖2所示。

圖2 車架有限元模型

3 約束及工況載荷

防噴修井設備專用運輸車副車架通過U型螺栓、止推板與主車架部分固定，運輸車的上裝結構中舉升機構、翻轉架都分別與副車架直接連接。在分析副車架的約束與工況載荷時，必須將與副車架相連接的各個部分考慮進去，這樣才能更接近實際工況下的作業情況［7］。與副車架相連接的各部分結構如圖3所示。

根據防噴修井設備專用運輸車的實際作業情況，車架的約束施加情況如圖4所示。

圖3 副車架相連接結構圖

圖4 車架施加約束位置示意圖

圖4 中，由于副車架是通過主車架與運輸車懸架和輪胎相連接，而運輸車的前輪部分是兩個獨立的懸架系統，因此，在主車架的下表面分別設置A、B、C、D 4個約束位置；后橋使用的是一個聯合懸架與車輪連接，而且兩后橋的距離遠遠小于副車架的長度，所以，將兩后橋的中心線與主車架下表面的交點E、F點設置約束［8］。

在純彎曲工況下的具體約束見表1。

表1 純彎曲工況下約束施加情況

彎扭聯合工況的約束施加與純彎曲工況相同，只是在Z方向對圖中A點和C點設置正方向200mm約束和對F點設置負方向200mm的約束。

4 有限元結果分析

防噴修井設備專用運輸車裝載質量為25t，考慮到石油作業的特殊性，分析時將裝載質量選為正常裝載質量的1.5倍，約35t。分析時，根據實際使用情況，將分析分為純彎曲工況、彎扭聯合工況、舉升工況和吊裝工況4個關鍵工況進行分析［9］。副車架采用的材料為Q345，材料屬性見表2。

表2 材料屬性

4.1 純彎曲工況

純彎曲工況下等效應力云圖和最大變形云圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 等效應力云圖

圖6 最大變形云圖

最大應力值為208MPa，小于屈服極限；最大變形量在副車架尾部，最大變形量為10mm。

4.2 彎扭聯合工況

彎扭聯合工況下等效應力云圖和最大變形云圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 等效應力云圖

圖8 最大變形云圖

最大等效應力發生在尾部舉升裝置連接處，最大等效應力值為320MPa，小于屈服極限；最大變形量為18mm。

4.3 舉升工況

舉升裝置通過連接裝置焊接在副車架上，由舉升液壓缸將翻轉架翻轉至工作所需角度，此時，整車的重心后移。舉升工況的等效應力云圖和最大變形云圖分別如圖9和圖10所示。

圖9 等效應力云圖

圖10 最大變形云圖

最大等效應力發生在尾部舉升裝置連接處，最大等效應力值為158MPa，小于屈服極限；最大變形量為0.11mm。

4.4 吊裝工況

舉升裝置將翻轉架翻轉到工作角度后，由柔性懸掛裝置將背負的防噴修井設備吊起至自由懸掛狀態，然后與井口對接安裝。此刻對翻轉架尾部剛度和強度要求都非常高。吊裝工況時副車架等效應力云圖和最大變形云圖分別如圖11和圖12所示。

圖11 等效應力云圖

圖12 最大變形云圖

最大等效應力發生在距離尾部第三根橫梁處，最大等效應力值為157MPa，小于屈服極限；最大變形量為0.11mm。

結果表明，在純彎曲工況下，副車架的強度是足夠的；而在彎扭聯合工況和卸載工況下，出現了局部等效應力過大的情況，但由于有懸架系統的彈性阻尼作用，極大地緩解了副車架在坑洼地面的扭曲變形，所以不會造成車架的疲勞斷裂，在副車架由寬變窄的過渡區域以及與舉升裝置連接部分需特別加強，后續應針對副車架的應力過大部位做進一步的優化。

5 結 語

針對防噴修井設備專用車設計了副車架，通過該副車架實現了載荷的合理分布，避免集中載荷，改善了主車架承載情況，同時沒有破壞主車架的結構，這樣其最大承載量可以達到35t，解決了防噴修井設備專用車舉升、載重量需求大，結構要求更合理的問題。最后，該副車架裝置還有很大的后續再開發、再優化的空間，在以后的生產開發過程中，做到更大程度上滿足油氣修井作業工作的需要。通過對副車架的有限元分析，為防噴修井設備專用運輸車整車設計提供了依據，也為其他車輛的副車架設計提供了參考。

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