8方混凝土攪拌運輸車車架分析及優化

摘要：介紹了限超背景下8方混凝土攪拌運輸車的車架結構，對車架進行有限元分析，根據分析的結果對車架進行優化設計，使攪拌車車架設計更為合理。攪拌車車架通過有限元分析進行輕量化，降低整車重量，滿足市場輕量化的要求。

關鍵詞：混凝土攪拌運輸車車架;有限元分析;輕量化;安全系數

中圖分類號：U469收稿日期：2022-06-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.014

1前言

隨著國家限超政策的出臺，治超力度越來越大，罐體能夠裝載最大量的混凝土且還能滿足法規要求，實現經濟效益最大化，才能讓客戶完全認可，攪拌車輕量化設計成為趨勢。攪拌車輕量化設計通過上裝部件車架和罐體結構優化，采用高強度耐磨鋼板等一系列措施降低自重，與底盤匹配后，整車整備質量減小，從而使車輛的載質量增加[1-2]。

攪拌車車架在輕量化過程中，因車架具有較高的強度和剛度，在行駛過程中，會造成局部應力集中;車架結構強度較低，會引起車架斷裂;車架剛度較低，會發生扭曲變形，引起整車側翻或傾覆。車架優化設計通過有限元分析滿足車架的強度和剛度[3-4]。

根據國標GB/T 26408-2020混凝土攪拌運輸車要求，三軸攪拌車最大允許總質量25 000kg，攪動容積<6 m;四軸攪拌車最大允許總質量31 000kg，攪動容積<8 m3。本文按照最大容積方案進行分析，即四軸8方混凝土攪拌運輸車。

2車架結構

混凝土攪拌運輸車車架由縱梁和橫梁組成，縱梁和橫梁都采用矩形管，并且縱梁為一體式無拼接，保證車架整體強度和穩定性。車架上安裝有前臺、后臺、罐體、減速機等，攪拌罐前后兩端坐落在前后臺上，承載罐體和滿載混凝土的重量。為增加車架整體強度，前臺下部與縱梁連接部位除了焊接橫梁外，還焊接加強板。后臺前端橫梁處于前后臺中間部位，對整個車架的扭轉變形起到重要作用，焊接增加縱梁強度的加強扣件，并且在橫梁四周焊接加強件。為進一步增加整車的穩定性，橫梁與后臺之間左右兩側焊接有斜撐。

8方混凝土攪拌運輸車設計時對罐體結構進行了調整，罐體長度較短，罐體布置角度也有所變化，這樣整車長度縮短，載荷布置更加合理，結構改進后，車架布置拉撐的空間縮短，斜撐尺寸相應變小，整車自重得到減輕。目前攪拌車車架結構一般分為帶斜撐和不帶斜撐兩種;普通斜撐結構由幾種零部件組焊在一起，有些會在斜撐上面開孔，進一步減重。本文對斜撐有減重孔的車架進行有限元分析，車架模型見圖1。

3車架各工況有限元分析

車架的縱梁、橫梁、加強件材質為Q355B，Q355B材料彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強度463 MPa，抗拉強度556 MPa，延伸率27.6%。車架零部件的有限元分析采用殼單元進行網格劃分，網格尺寸為10 mm;強度安全系數為1.3。攪拌車有限元受力分析的受力點為減速機軸端頭、拖輪與罐體滾道的接觸點，考慮罐體內部螺旋葉片的存在造成攪拌罐旋轉過程中混凝土重心的位置偏離垂直面，此次分析設定混凝土重心偏離距離為100 mm，罐體包含混凝土主要受到重力和為前、后臺支反力作用，各支反力大小均考慮了1.2倍動載系數。

本文靜力仿真工況設定滿載勻速上坡工況、滿載勻速下坡工況、滿載彎曲工況、滿載制動工況以及滿載轉彎工況5種工況。

3.1滿載勻速上坡工況

車架總體最大等效應力為269.3 MPa，出現在前臺左邊側板底部與車架橫梁交接處，車架總體最大變形量為1.2 mm，出現在后臺左邊側板上沿處;車架與斜撐最大等效應力為246.9 MPa，出現在縱梁側部后處約束處;車架與斜撐最大變形量為1.0mm，出現在右斜撐上封板中間位置;車架應力和變形云圖如圖2所示。

3.2滿載勻速下坡工況

車架總體最大等效應力為291.4 MPa，出現在縱梁側部前處約束處;車架總體最大變形量為1.2 mm，出現在后臺左邊側板上沿處;車架與斜撐最大等效應力為291.4 MPa，出現在縱梁側部前處約束處;車架與斜撐最大變形量為1.1 mm，出現在右斜撐上封板中間位置。因車架總體、車架與斜撐最大等效應力出現部位一樣，所以只保留車架與斜撐應力云圖見圖3;車架總體變形云圖借用圖2b。

3.3滿載彎曲（平路運輸）工況

車架總體最大等效應力為346.7 MPa，出現在縱梁側部后處約束處;車架總體最大變形量為1.3 mm，出現在后臺左邊側板上沿處;車架與斜撐最大等效應力為346.7 MPa，出現在縱梁側部后處約束處;車架與斜撐最大變形量為1.1 mm，出現在右斜撐上封板中間位置。因車架總體、車架與斜撐最大等效應力出現部位一樣，所以只保留車架與斜撐應力云圖見圖4;車架總體變形云圖借用圖2b，只是變形量增加了。

3.4滿載制動工況

車架總體最大等效應力為302.9 MPa，出現在左邊縱梁側部前處約束處;車架總體最大變形量為1.0 mm，出現在前臺左邊側板上部與頂板交接處;車架與斜撐最大等效應力為302.9 MPa，出現在左邊縱梁側部前處約束處;車架與斜撐最大變形量為0.8 mm，出現在前板前板與左側縱梁交接處。因車架總體、車架與斜撐最大等效應力出現部位一樣，所以只保留車架與斜撐應力，見圖5b;變形云圖見圖5a、圖5c。

3.5滿載轉彎工況

車架總體最大等效應力為391.4 MPa，出現在前臺左側側板底部與車架橫梁連接部位;車架總體最大變形量為3.2 mm，出現在后臺左側側板上沿處;車架與斜撐最大等效應力為391.4 MPa，出現在縱梁側部前處約束處;車架與斜撐最大變形量為2.6mm，出現在右側斜撐上封板中間處。因車架總體和分體最大等效應力出現部位一樣，所以只保留車架與斜撐應力圖見圖6;車架總體變形云圖借用圖2b，只是變形量增加了。

通過在5種工況下的有限元分析，車架和斜撐的最大等效應力、安全系數以及車架總體最大位移值見表1;雖然有四個工況安全系數滿足要求，但轉彎工況下，車架與斜撐的安全系數有點低，所以需要優化車架結構。

4車架優化

車架優化不僅需要保證車架結構的安全性還要保證車架重量最小，現將帶斜撐車架縱梁材料由Q355B更換為700L，其他部件材料由Q355B 更換為610L，對以上五種工況進行優化后進行有限元分析。700L材料彈性模量228.2 GPa，泊松比0.29，屈服強度708 MPa，抗拉強度771 MPa，延伸率23.6%;610L材料彈性模量221GPa，泊松比0.29，屈服強度590 MPa，抗拉強度664） MPa，延伸率24.1%。車架優化中的橫梁和斜梁指車架中所有橫梁、斜梁，厚度統一更改。車架零件編號示意圖見圖7，優化后結果見表2。

帶斜撐車架優化后五種工況下的有限元分析結果見表3，上坡工況的應力云圖見圖8，下坡工況的應力云圖見圖9，轉彎工況的應力云圖見圖10。

對表1和表3進行對比分析，優化后斜撐與車架安全系數都得到增加，車架總體變形量稍有增大，變動范圍可控，所以優化方案滿足要求，并且自重得到減輕。

優化化后的8m攪拌車進行實車試驗，試驗車總質量31 000 kg，在行駛里程為5415 km時，其中一般公路為4309 km，農安2#環路為1106 km，試驗過程中車架均無開裂開焊等失效情況。

5結語

a.攪拌車車架原有結構強度滿足爬坡、下坡、向前加速、緊急制動四種狀態，側向轉彎安全系數低，需要優，化車架結構;

b.車架優化方案為車架縱梁材料更換為700 L，其他部件材料更換為610L，車架優化前重量510.3kg，優化后重量374.2 kg，減重136.1 kg，減重26.7%，減重成果明顯。

c.車架優化后安全系數得到提高，滿足爬坡、下坡、向前加速、緊急制動、側向轉彎五種狀態要求，雖然變形量稍有增大，但變動范圍可控。

參考文獻：

[1]夏宇輝，基于有限元法的攪拌車主副車架結構拓撲優化設計[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[2]龔曙光，謝桂蘭，黃云清.ANSYS參數化編程與命令手冊[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]張凱.混凝土攪拌車車架的靜動態特性分析及改進[D].包頭：內蒙古科技大學，2009.

[4]苑娟娟，基于拓撲理論的攪拌車副車架的優化設計與疲勞分析研究[D].濟南：山東大學，2019.

作者簡介：

段曉峰，男，1980年生，工程師，研究方向為工程機械系統。