裝載機中梁架新結構研究及應用

區思榜，黎華敏，張斐朗

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西柳州545007）

0 引言

輪式裝載機是一種被人們廣泛應用于公路、鐵路、港口、煤炭、礦山、水利、國防等工程和城市建設的機器，在國民經濟發展建設中發揮重要作用。裝載機中梁架是裝載機的主要承重部件，被作為核心部件傳遞車輪與車身之間的力和力矩，其可靠性和壽命，直接關系到裝載機整機的安全、質量、性能和作業能力。

本文主要研究輪式裝載機的中梁架，創新性地改變原中梁架的懸梁結構，把作用在懸梁板的拉應力轉變為內部的壓應力，利用板材許用受壓應力遠高于許用受拉應力的特點，增大縱向抗變形能力，提高整車承載能力和穩定性，提高裝載機整體的強度、可靠性和壽命，降低用戶的使用成本，給企業和用戶創造價值。

本文采用CAE分析的方法，對比兩種結構中梁架在相同邊界條件情況下的應力水平，外八字中梁架應力大幅降低，結構更加穩健，壽命更加長，更加有實用意義。

1 中梁架的特點

輪式裝載機中梁架位置及結構如圖1、圖2所示。一方面，裝載機需要具備很強的通過障礙的能力，這決定了驅動橋要能擺動，在擺動限位時，中梁架要承受很大的沖擊動載荷；另一方面，整機頻繁前進、鏟料、停止及后退循環，要求中梁架具有前后換向受力時的抗沖擊能力足夠強[1,2]。傳統中梁架是直接切割板材后拼焊而成，存在如下不足：

（1）中梁架上的懸梁板受較大的拉應力作用。

（2）中梁架受交變作用力，結構易疲勞破壞。

（3）結構應力突變，應力分布不勻，易引起應力集中。

（4）厚板材能增強抗破壞能力，但結構笨重。

圖1 中梁架在輪式裝載機中的位置

圖2 中梁架與后車架鉸接的結構

如圖3所示調整墊，在副車架相對中梁架轉動時，起到傳遞沖擊和作為減磨材料的作用。在裝配時，副車架與中梁架懸梁板間隙分別為δ1、δ2，用一組調整墊調好后，整機前后往復運動的沖擊力同時作用在中梁架兩塊懸梁板上，受力情況較好。在較長時間工作后，客戶沒有及時保養和更換，調整墊被磨損超過極限，如圖4.此時副車架將會只與中梁架其中一塊懸梁板單獨接觸，整機牽引力或制動力變成由單塊懸梁板承受，且受拉應力。此為中梁架最為惡劣的工況，在設計計算中著重關注。

圖3 調整墊的安裝位置

圖4 現場實測裝配后的間隙

運用有限元分析法，在中梁架上施加與實際工況近似的沖擊力（計算時施加的力=牽引力X動載系數），得出應力圖如圖5所示，高應力區出現在懸梁板分中面上板材邊緣附近，從而確定調整墊磨損失效后的危險截面。周期性循環受力作用下，該懸梁板危險截面更易疲勞損壞。

圖5 應力云圖（單位：MPa）

2 改進方案

2.1 使用耐磨調整墊

為防止調整墊失效，需要增加耐磨性解決其易被磨損的問題。根據《機械設計手冊》[3]，銅合金的使用壽命較高，可以達到要求，因而首選該材料做調整墊。同時，根據中梁架的特點，中梁架與副車架的相對運動不可避免，即該結構調整墊本身齊備有減磨作用和耐磨作用，受限于這一對矛盾體，調整墊的設計壽命提升空間受限，所以還需要尋求其他方案。

2.2 在中梁板上貼焊貼板

為加強懸梁板的承力能力，直接的方案是增大受力截面面積，本案采用局部加焊貼板增強原高應力區截面的方案，然后，用有限元方法進行分析，如圖6所示，相比較單板結構，應力有效分布到其他區域，達到等強度設計效果。此方案通過加大受力截面面積的方法來提高承載能力，有一定的改善效果，但實際應用時，貼板上焊縫如果處理不好，反而會削弱此處強度。

圖6 貼焊貼板后應力分布（單位：MPa）

給懸梁板建立一個簡單的力學模型，并畫出其彎矩圖，如圖7所示為簡單超靜定梁結構，懸梁板分中面和根部受很大彎矩作用。如果改為如圖8的結構，懸梁板所受最大彎矩由PL/8下降至PL/16，彎矩下降100%，懸梁板受力得到極大改善。

圖7 懸梁板力學模型

圖8 懸梁板力學模型

3 外八字中梁架

如前文有限元分析顯示，傳統中梁架存在薄弱截面而開裂失效，開裂處受拉應力。如圖8結構，懸梁板折彎，懸梁板能把豎直向下的縱向力，通過彎板本身內力轉化為橫向力，最后作用到根部上，充分發揮板材抗壓性能好的特點，并且避免板材受彎矩，承受壓應力能力遠大于受拉應力能力的特點得到充分利用，將大大提高中梁架的結構穩定性和使用壽命。經研究分析，提出一種中梁架結構，如圖9，圖10所示，因形狀類似中文“八”，且為配對對頂向外布置，所以叫外八字中梁架。

圖9 外八字中梁架結構

圖10 外八字中梁架裝配到后車架上

外八字中梁架包括左右兩側的左聯接板和右聯接板，在這兩塊板間連接至少兩組拱形懸梁板，拱形結構的懸梁板能把向前、向后的作用力都轉變為各受力單元內部的壓應力，無論裝載機處在前進、停止、后退等工況，都至少有一組拱形懸梁板承受從橋傳來驅動力或制動力，使中梁架承力能力提高，穩定性提高[4]。相比同等厚度的平直懸梁板，外八字中梁架懸梁板開裂損壞的概率降低。

采用CAE分析的方法，對比老結構形式的中梁架與外八字中梁架在相同邊界條件情況下的應力水平，如表1、圖11所示。

表1 應力分布對比

圖11 外八字中梁架應力云圖（單位：MPa）

綜合上述各方案，取懸梁板分中截面上應力值最大的同一個位置進行對比，該點外八字中梁架應力值相較于傳統中梁架下降幅度為30%，改進方案效果明顯。

4 結論

外八字結構中梁架采用轉化原則，懸梁板做成拱形，并配對對頂布置，把板材受的拉應力轉化為板材內部的壓應力，利用板材抗壓能力遠比抗拉能力強的特點，使得中梁架結構更加穩定，使用壽命更高。

裝載機應用外八字結構中梁架已經過8000多小時驗證，到目前為止沒有接到外反饋，證明新結構設計合理，安全可靠。