某自卸車平衡橋橫梁故障分析與改進設計

摘要：為診斷某自卸車平衡橋橫梁開裂原因，本文利用有限元分析對其結構強度進行了模擬分析，最終確定了引起故障的根本原因。同時，結合有限元分析對平衡橋橫梁結構進行了改進設計，市場驗證未再反饋質量問題。

關鍵詞：有限元分析;平衡橋橫梁;車架;結構強度;應力集中

中圖分類號：U471 文獻標識碼：A

0引言

平衡橋橫梁位于雙后橋上方車架縱梁之間，是重型卡車關鍵的承載部件。本文針對某8×4自卸車平衡橋橫梁開裂問題（圖1），對用戶使用工況進行了調查，發現開裂故障主要集中在礦區，路況惡劣且有超載現象。為了查明引起故障的根本原因，現對平衡橋橫梁進行有限元模擬分析，并結合分析結果提出改進措施。

1車架總成有限元模型

由于平衡橋橫梁位于車架中，受力復雜且難以直接提取載荷，因此需要搭建車架總成有限元模型來模擬平衡橋橫梁的受力情況（圖2）。模型主要包含車架總成、副車架總成、貨箱底板、鋼板彈簧、平衡懸架、駕駛室質心、動力總成質心、油箱支架、電瓶框支架和尿素罐支架等。

對于薄壁件采用殼單元進行離散，非薄壁件首選六面體單元離散，離散困難的非關注件采用一階四面體，重點關注件采用二階四面體。輪胎用rbe2單元模擬，橋用beam單元模擬，懸架用bush單元模擬，焊接用“rbe3+penta+rbe3”單元模擬，螺栓用“rbe2+beam+rbe2”單元模擬。重點關注區域零部件之間建立contact pair接觸關系，鉸鏈轉動自由度按照實際情況模擬。模型搭建完畢后需校軸荷，誤差控制在5%以內。模型單元總數為2068764，其中三角形單元數量為3589，占總單元數的0.17%。

2車架總成強度分析

2.1工況定義

負載質量分別為標載30t和超載40t時，按照表1所示的工況進行加載。

2.2結果分析

標載30t時，平衡橋橫梁最大應力為278.3 MPa，小于其材料510L的屈服極限355.0 MPa，安全系數為1.27（圖3）。

超載40t時，平衡橋橫梁最大應力434.4 MPa，超過其材料510L的屈服極限355.0MPa，安全系數只有0.82。應力集中區域與開裂部位吻合，如圖4和圖5所示。

由上述分析結果可知，車架平衡橋橫梁開裂的根本原因是礦區車輛超載，超過平衡橋橫梁強度而開裂。為了解決特殊使用工況下平衡橋橫梁強度不足問題，滿足用戶需求，現考慮在滿載40t的條件下，對平衡橋橫梁進行改進設計。

3改進設計

3.1改進后模型

平衡橋橫梁原結構內襯板為平板結構，未能對開裂部位R角處起到加強作用。現改進后將內襯板設計為U型槽結構，通過螺栓與平衡橋橫梁上下翼面相連，改進前后結構對比如圖6所示。

3.2改進后結果分析

改進后，按照滿載40 t貨物進行加載，平衡橋橫梁最大應力為312.7 MPa，小于其材料510L的屈服極限355.0 MPa，安全系數為1.13（圖了）。

由結果可知，改進后平衡橋橫梁安全系數為1.13，而改進前只有0.82，強度有了明顯提升。目前改進方案已實車驗證，未再反饋質量問題。市場驗證結果也證明了該結構改進的可行性。

4結束語

通過有限元分析，對8×4自卸車平衡橋橫梁開裂問題進行了故障再現，平衡橋橫梁應力集中區域與開裂部位基本一致，說明礦區車輛超載是平衡橋橫梁開裂的根本原因。經過改進設計后，強度得到了明顯提升，市場驗證未再反饋質量問題。此分析方法對快速解決售后質量問題切實有效。