一種礦用自卸寬體車車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

黃建程

（廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，廣西 南寧 530007）

一種礦用自卸寬體車車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

黃建程

（廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，廣西 南寧 530007）

介紹了目前國(guó)內(nèi)各種礦用寬體車車架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，指出了設(shè)計(jì)重點(diǎn)，為寬體車設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考資料，同時(shí)提出一種新的車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

寬體車；車架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自卸車有公路自卸車，有礦用自卸車，在礦區(qū)上使用的一般是重型礦用自卸車或稱為特大型礦用自卸車，而這種礦用自卸車行駛在礦山路面上，常遇見(jiàn)路面凹凸不平、一輪或多輪騎高或下陷等現(xiàn)象，車架受不規(guī)則的扭曲變形作用。

車架是整車的核心構(gòu)件，其設(shè)計(jì)與制造水平，代表整車生產(chǎn)商的能力。礦用自卸車在運(yùn)行過(guò)程中，車架經(jīng)常發(fā)生疲勞斷裂事故。

近年來(lái)，由于市場(chǎng)特殊需求，衍生出一種非公路自卸卡車，俗稱“寬體車”。寬體車屬于礦用自卸車的一種，技術(shù)源自公路自卸卡車，系在公路自卸卡車基礎(chǔ)上，加強(qiáng)加寬底盤而來(lái)。

寬體車的工作條件惡劣，要求車架較公路自卸卡車更加結(jié)實(shí)，工作壽命更長(zhǎng)，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自重不能太大，以免影響載質(zhì)量。傳統(tǒng)的車架強(qiáng)度的計(jì)算方法，是將車架簡(jiǎn)化成一簡(jiǎn)支梁進(jìn)行簡(jiǎn)單的彎曲強(qiáng)度計(jì)算，隨著有限元分析的導(dǎo)入，這比前一種計(jì)算方法更精確，但由于車輛在礦區(qū)使用的工況復(fù)雜，車架受力狀況亦復(fù)雜，要建立精確的數(shù)學(xué)模型和邊界條件非常困難，緊靠精確的理論計(jì)算是不夠的，還需要進(jìn)行精心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 寬體車車架常見(jiàn)結(jié)構(gòu)

目前市場(chǎng)常見(jiàn)寬體車車架結(jié)構(gòu)的有3種：

第一種為由高強(qiáng)度厚鋼板拼焊而成的箱形車架；

第二種是由沖壓或折彎縱梁和橫梁拼焊而成的箱形車架；

第三種類似公路自卸卡車車架，由沖壓或折彎梁鉚接而成的槽型車架。

這3種車架結(jié)構(gòu)都屬于邊梁式結(jié)構(gòu)，但縱梁和橫梁的結(jié)構(gòu)各異，造成制作工藝各異。

第一種車架的縱梁結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示，這種縱梁結(jié)構(gòu)與重型剛性礦車結(jié)構(gòu)相似，對(duì)焊接工藝要求很高，整個(gè)縱梁要求全焊，目前采用的大多是埋弧焊接工藝。采取這種車架縱梁結(jié)構(gòu)，橫梁一般采用整體鑄鋼件或鋼板拼焊后，與縱梁焊接聯(lián)接，整個(gè)車架為全封閉結(jié)構(gòu)。

圖1 縱梁箱形截面結(jié)構(gòu)

第二種車架的縱梁結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示，這種結(jié)構(gòu)同樣對(duì)焊接工藝要求很高，整個(gè)縱梁要求全焊，上下翼面均是受力面，而焊接位置處于對(duì)扣梁的折彎處，容易造成應(yīng)力集中。橫梁與縱梁鏈接，只能通過(guò)焊接方式聯(lián)接，同樣焊接位置也處于對(duì)扣梁的折彎處。

圖2 縱梁箱形截面結(jié)構(gòu)

第三種車架的縱梁結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3所示，這種結(jié)構(gòu)在普通公路卡車中運(yùn)用廣泛，俗稱“雙層梁”，內(nèi)外兩層梁的板厚組合一般有10 mm+10 mm、10 mm+8mm、8mm+8mm、8mm+6mm等。采用這種縱梁結(jié)構(gòu)，車架橫梁一般通過(guò)鉚接方式聯(lián)接，而懸架與車架的聯(lián)接，是通過(guò)螺栓聯(lián)接。整個(gè)車架屬于開(kāi)放式槽形結(jié)構(gòu)，一般縱梁和橫梁都是采用一次沖壓成型，方能確保精度要求。

圖3 縱梁槽形截面結(jié)構(gòu)

車架縱梁是車架承載質(zhì)量最為關(guān)鍵的機(jī)構(gòu)，以上3種車架縱梁結(jié)構(gòu)各有利弊：

（1）第一種結(jié)構(gòu)屬于全焊，焊接品質(zhì)都要求高，容易出現(xiàn)焊接變形等缺陷，由于車架長(zhǎng)度一般不小于8m，若采用埋弧焊，則焊接工裝非常大，但箱形結(jié)構(gòu)受力效果更好。

（2）第二種結(jié)構(gòu)也屬于全焊，縱梁和橫梁若采用折彎成型，很難保證左右梁對(duì)扣拼焊后上下翼面的尺寸精度要求，同時(shí)焊接品質(zhì)很難保證；

（3）第三種結(jié)構(gòu)目前被廣泛采用，工藝要求簡(jiǎn)單。采用這用結(jié)構(gòu)時(shí)，一般要求整車載質(zhì)量不大，車廂與車架之間還設(shè)有副車架，避免直接沖擊車架。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)發(fā)背景

經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研，各類車架各有利弊，通過(guò)采集各種結(jié)構(gòu)車架的實(shí)際運(yùn)行故障，發(fā)現(xiàn)：整車在運(yùn)行過(guò)程中，由于礦區(qū)路面凹凸不平，車架承受高強(qiáng)度的扭曲和沖擊，經(jīng)常造成斷裂和扭曲變形，嚴(yán)重影響到車輛的安全性，對(duì)懸架連接橫梁和中橫梁來(lái)說(shuō)，該問(wèn)題非常突出。

（1）寬體車設(shè)計(jì)的額定載荷，介于公路自卸卡車與重型剛性礦用自卸車之間，總質(zhì)量一般設(shè)計(jì)為40～80 t，彌補(bǔ)了我國(guó)礦山運(yùn)輸設(shè)備的空白。在條件復(fù)雜，作業(yè)場(chǎng)地狹窄的采礦區(qū)，有效取代了公路自卸卡車和重型礦用車，適應(yīng)性強(qiáng)，需要設(shè)計(jì)一種車架總成，縱梁總成及各橫梁總成均為箱形結(jié)構(gòu)，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)固有點(diǎn)，但要求結(jié)構(gòu)與工藝簡(jiǎn)單，強(qiáng)度大，工作壽命長(zhǎng)。

（2）引入新的方法，對(duì)車架總成進(jìn)行了有限元分析，優(yōu)化各橫梁與縱梁聯(lián)接結(jié)構(gòu)，降低應(yīng)力，提高車架的橫向抗扭強(qiáng)度，改善應(yīng)力分布，防止了斷裂和扭曲變形，提高安全可靠性。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝

2.2.1 縱梁設(shè)計(jì)

縱梁是寬體車車架主要承載元件。目前寬體車縱梁有箱形變截面、槽形變截面兩種。根據(jù)箱形截面受力特點(diǎn)，繼續(xù)保持其優(yōu)點(diǎn)，但車架前段承受扭曲的強(qiáng)度小，同時(shí)為方便布置動(dòng)力總成、冷卻、進(jìn)排氣和駕駛室等系統(tǒng)，采取縱梁箱形3種截面結(jié)構(gòu)：即車架前部上下翼面高度較小，從發(fā)動(dòng)機(jī)前后懸置中心位置附近開(kāi)始向逐漸加大，到駕駛室后懸置處達(dá)到最大，再往后保持平直，有利于布置車廂等上裝機(jī)構(gòu)。

其縱梁箱形截面如圖4所示，縱梁由內(nèi)、外梁拼焊而成：外縱梁為一根整體梁，如圖5所示。前內(nèi)梁為加強(qiáng)板，后內(nèi)梁為折彎梁，并在中性層附近開(kāi)有工藝孔，便于布置和安裝使用（見(jiàn)圖5所示），就形成了圖4所示的焊接形式。

這樣的截面，保持了箱形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)化外縱梁的制作工藝，為加強(qiáng)縱梁的強(qiáng)度，加大了L1高度值，滿足要求時(shí)一般不小于450mm，而L2高度值由整車布置確定。由于L1數(shù)值大，而寬體車生產(chǎn)能力一般不大，若采用沖壓工藝制作，則需要大型的沖壓設(shè)備和模具，無(wú)疑成本大增，且L1越大，成本越高。

圖4 縱梁箱形截面結(jié)構(gòu)

圖5 縱梁整體

為簡(jiǎn)化工藝，制作縱梁只需采用折彎工藝即可，省去大型沖壓模具，只要控制好外縱梁折彎品質(zhì)和內(nèi)、外縱梁拼焊品質(zhì)。該結(jié)構(gòu)的內(nèi)梁起輔助承載作用，為降低焊接變形，采用分段焊，焊縫長(zhǎng)度為100mm左右。

2.2.2 橫梁設(shè)計(jì)

寬體車的車架橫梁與普通公路汽車類似，但橫梁較少，第一橫梁位于駕駛室前懸支座支承處，為簡(jiǎn)化工藝，設(shè)計(jì)成箱形梁（類似圖1所示結(jié)構(gòu)）；第二橫梁為加強(qiáng)梁，位于動(dòng)力總成輔助支承處和油缸與車架相交處，用圓管即可；第三橫梁為中橫梁，設(shè)計(jì)成箱形梁；第四橫梁為懸架連接梁，處于平衡懸架平衡軸中心處，設(shè)計(jì)成箱形聯(lián)接左右平衡懸架總成；第五橫梁為后橫梁，處于車架尾部，承載車廂傾翻時(shí)支座傳遞來(lái)的力，同樣設(shè)計(jì)成箱形結(jié)構(gòu)。

（1）第一橫梁。此梁為箱形梁，見(jiàn)圖6所示，由4塊鋼板拼焊而成，重點(diǎn)承載來(lái)自駕駛室和保險(xiǎn)桿傳遞來(lái)的力，為簡(jiǎn)化工藝，直接將其與左右縱梁通過(guò)焊接方式聯(lián)接。

圖6 第一橫梁

（2）第三橫梁。此橫梁也為箱形梁，但在箱中增設(shè)有一加強(qiáng)梁，見(jiàn)圖7所示。

圖7 第三橫梁

（3）第四橫梁。第四橫梁結(jié)構(gòu)跟第三橫梁基本一致，根據(jù)平衡懸架總成結(jié)構(gòu)確定，見(jiàn)圖8所示。

圖8 第四橫梁

橫梁和縱梁都采取箱形結(jié)構(gòu)，只是形成箱形結(jié)構(gòu)的方式不一樣，在設(shè)計(jì)這樣的結(jié)構(gòu)之前，充分考慮了車架總成的受力狀況，整個(gè)車架均是焊接而成，焊接量大，但工藝簡(jiǎn)單，在形成車架總成之前，先分布制作縱梁和各橫梁總成，最后只需要一副點(diǎn)焊工裝和變位器工裝。

2.3 材質(zhì)的選擇

低合金高強(qiáng)度鋼板，是目前寬體車車架主要采用的材質(zhì)。橫梁一般采用屈服強(qiáng)度為350MPa，抗拉強(qiáng)度為600～700MPa，如果部分橫梁采用鑄鋼件，則鑄件屈服強(qiáng)度為240MPa即可。

縱梁為主要承載元件，按現(xiàn)有設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，可以借鑒公路自卸卡車的大量材料，但屈服強(qiáng)度要求更高，目前公路自卸卡車一般采用510L鋼板(俗稱汽車大梁板)，而寬體車要用到屈服強(qiáng)度700以上的高強(qiáng)度鋼板，甚者可以采用更高強(qiáng)度的特殊鋼板（比如SSAB的HARDOX系列鋼板），既可保證或增強(qiáng)強(qiáng)度，又可降低車架總體自重。

3 車架結(jié)構(gòu)分析

這種車架結(jié)構(gòu)是否合理，我們引入有限元分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。按照寬體車在實(shí)際工作中工作路線，重點(diǎn)選取了若干個(gè)典型危險(xiǎn)工況，進(jìn)行有限元分析，及滿載靜止和平穩(wěn)運(yùn)行、彎扭組合工況（轉(zhuǎn)彎、剎車、顛簸）、傾斜舉升作業(yè)等工況。

分析結(jié)果顯示，車架出現(xiàn)故障和位置，與目前市場(chǎng)上寬體車車架的故障模式和位置一致，這表明我們的設(shè)計(jì)方向是正確的，同時(shí)顯示此次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，較目前市場(chǎng)其他結(jié)構(gòu)更好。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，寬體車整車整備質(zhì)量控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，載質(zhì)量與車架自重之比為12～8之間，而重型剛性礦車和電動(dòng)輪礦車此值約為10左右，這表明優(yōu)化后的車架自重，是可以接受的。

4 結(jié)束語(yǔ)

寬體車車架的破壞，往往是由于疲勞應(yīng)力超過(guò)材料或焊縫的疲勞極限而造成的。寬體車在礦區(qū)運(yùn)行時(shí)，由于路面狀況復(fù)雜，車架承受來(lái)自方向和數(shù)值變化很大的交變重復(fù)負(fù)荷作用，因此在設(shè)計(jì)車架時(shí)，要設(shè)置足夠的安全系數(shù)，并不斷優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)。

[1]李凱旋.礦用重型自卸車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械，1996，（3）：2-5.

[2]北京華經(jīng)縱橫咨詢有限公司.中國(guó)露天礦車產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)需求研究報(bào)告[DB/OL].北京：中國(guó)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)情報(bào)網(wǎng),2009.

[3]張小虞.汽車工程手冊(cè)·設(shè)計(jì)篇（第二版）[M].北京：人民交通出版社出，2001.

[4]劉維信.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

A Design of Frame Structure for Mining Dump Truck

HUANG Jian-cheng
（Guangxi Academy of Agricultural Machinery，Nanning530007,China）

This article introduces the construction feature of various domestic mine truck frames，and points out some important problems on the frame construction design。Many valuable reference informations are provided for mine truck frames,and propose anew design method.

mine truck；frames；construction design

U469.602

A

1672-545X（2011）09-0056-03

2011-06-17

黃建程（1982—），男，廣西平樂(lè)人，助理工程師，主要從事礦山機(jī)械和運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備研究。