某鉸接式自卸車驅(qū)動橋殼垂直彎曲C A E分析與實驗

秦紅義，王道明，喬奎普，王 周

（徐州徐工礦業(yè)機械有限公司，江蘇 徐州221000）

0 引言

鉸接式自卸車是一種適用于道路崎嶇、泥濘等惡劣工況的非公路土方運輸設(shè)備，一般為六輪實時驅(qū)動，越野性能強、安全性高?；诖耍q接式自卸車對車橋的可靠性要求極高。國內(nèi)鉸接式自卸車技術(shù)幾乎處于空白階段，關(guān)鍵配套件如發(fā)動機、變速箱和車橋等均采用進口，價格昂貴。為降低整車成本，公司嘗試對車橋進行國產(chǎn)化開發(fā)，但國內(nèi)沒有比較成熟的鉸接式自卸車車橋設(shè)計和評價方法。公司自主開發(fā)了單橋承載25 t的鉸接式自卸車專用驅(qū)動橋，具有大速比、大扭矩、濕盤制動、差速鎖等要求，滿足鉸接式自卸車適用需求。

橋殼是最關(guān)鍵的承載構(gòu)件，且連接主減、輪邊和半軸，強度和剛度要求高。本文對所設(shè)計的25 t鉸接式自卸車專用橋殼進行了垂直彎曲CAE分析和模態(tài)分析，并進行了橋殼垂直彎曲剛度和疲勞壽命試驗，驗證設(shè)計的可行性。

1 鉸接式自卸車驅(qū)動橋和懸架連接結(jié)構(gòu)

鉸接式自卸車中后橋通過平衡梁、A型架和橫拉桿與車架連接，平衡梁兩端通過橡膠減震彈簧與車橋連接，平衡梁旋轉(zhuǎn)軸與車架抗扭管連接，如圖1所示。車輛重力首先傳遞給平衡梁，然后平均分配給兩根車橋。

圖1 鉸接式自卸車懸架和車橋結(jié)構(gòu)

2 橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化和C A E分析

為提高CAE分析的準確性和效率，對所設(shè)計的橋殼的三維模型進行簡化，簡化后橋殼如圖2所示，該橋殼為一體鑄造式結(jié)構(gòu)，材料選用ZG40Cr，材料屬性如表1所示。

圖2 橋殼簡化結(jié)構(gòu)

表1 材料性能表

2.1 橋殼的垂直彎曲剛度和強度分析

將橋殼受力簡化為簡支梁結(jié)構(gòu)，在兩端半軸套管位置按照輪距施加約束，約束徑向移動，軸向移動自由，橡膠彈簧安裝座位置施加垂直方向的力，所施加的力取3倍的單橋最大承載力2。

仿真結(jié)果顯示，3倍軸荷下橋殼的最大應(yīng)力為204 MPa，位于半軸套管變徑位置；垂直方向最大變形量為0.78 mm。滿足設(shè)計要求。

圖3 應(yīng)力圖

2.2 橋殼模態(tài)分析

鉸接式自卸車為非公路車輛，行駛速度較慢，一般不超過60 km/h，因路面不平產(chǎn)生的振動沖擊頻率較小，多集中在0～50 Hz范圍內(nèi)。車橋設(shè)計時，為避免共振，橋殼的固有頻率要避開這個頻率范圍。對所設(shè)計的橋殼進行模態(tài)分析，前3階的振型分析結(jié)果如圖5～7所示，各階振型對應(yīng)的頻率和位移如表2所示。

圖5 1階振型應(yīng)變圖

圖6 2階振型應(yīng)變圖

圖7 3階振型應(yīng)變圖

表2 各階頻率和應(yīng)變值

1階振型表現(xiàn)為前后方向的彎曲變形，2階振型表現(xiàn)為上下方向的彎曲變形，3階振型表現(xiàn)為復(fù)合的扭曲變形。從分析結(jié)果可以看出，所設(shè)計橋殼的固有頻率遠遠超過地面激振頻率，不會產(chǎn)生共振。

3 橋殼的臺架試驗

為了驗證設(shè)計和CAE分析方法的可行性，采用橋殼疲勞壽命試驗臺（圖8所示）對橋殼進行垂直彎曲剛度測試和壽命試驗。由于橋殼強度設(shè)計安全系數(shù)較高，且為降低試驗成本，未進行橋殼強度試驗，橋殼強度可通過車載強化試驗驗證。

圖8 橋殼疲勞壽命試驗臺

3.1 橋殼垂直彎曲剛度試驗

CAE分析結(jié)果顯示，在主減包的左右兩側(cè)變形最大，按照如圖9所示的箭頭所指位置點，作為變形測試點，通過3倍的單橋最大承載進行加載，力施加在橡膠彈簧安裝座位置，從0開始緩慢加載。通過百分表測量指定位置的變形量。3次試驗結(jié)果顯示，最大變形位置與仿真分析結(jié)果一致，最大變形量為0.81 mm，與CAE分析結(jié)果基本一致，滿足使用要求。

圖9 變形測試點

3.2 橋殼垂直彎曲疲勞壽命試驗

因現(xiàn)有試驗臺無法滿足3倍的該橋最大承載的脈沖加載要求，采用最大2.5倍的承載力進行加載。共進行2件橋殼的壽命試驗，試驗值分別為1 342 806和1452 871次，一般礦用車橋壽命要求不低于80萬次，滿足使用要求。

4 車橋的車載強化試驗

所開發(fā)車橋已應(yīng)用在公司自主開發(fā)的某噸位鉸接式自卸車上，整車在礦區(qū)連續(xù)施工運行超過3年，為出現(xiàn)橋殼故障。圖10為所開發(fā)鉸接式自卸車在印尼某礦區(qū)施工實況。

圖10 車載強化試驗

5 結(jié)論

對所開發(fā)的鉸接式自卸車車橋橋殼進行了垂直彎曲剛度和強度的CAE分析，并進行了模態(tài)分析，仿真結(jié)果顯示，所開發(fā)的橋殼滿足設(shè)計要求。

通過臺架試驗，對所開發(fā)的橋殼進行了垂直彎曲剛度試驗和疲勞壽命試驗，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，均滿足使用要求。

所開發(fā)的車橋進行了超過3年的車載強化試驗，未出現(xiàn)橋殼開裂、變形等故障。

通過以上試驗驗證，證明所采用仿真分析方法的可行性，可以作為鉸接式自卸車橋殼開發(fā)的設(shè)計依據(jù)，提高設(shè)計可靠性，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。