自卸車舉升機(jī)構(gòu)的失效原因分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

和好學(xué)，李尚平，李 冰，李 健

(1.廣西工學(xué)院 機(jī)械工程系，廣西 柳州 545006;2.欽州學(xué)院，廣西 欽州 535000)

1 前言

自卸汽車是指以運(yùn)送貨物為主，并且車廂具有自動(dòng)卸料功能(配有自動(dòng)傾卸裝置)的載重汽車，它是利用本車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)液壓舉升機(jī)構(gòu)，將其車廂傾斜一定角度卸貨，并依靠車廂自重使其復(fù)位［1］，常用于沙地，山林，建筑工地等惡劣的作業(yè)場(chǎng)所。舉升機(jī)構(gòu)作為自卸汽車上的重要組成部件，裝卸貨物時(shí)受到作用力的大小時(shí)刻變化，如果設(shè)計(jì)不合理，卸載貨物時(shí)會(huì)使液壓油缸壓力過(guò)大或鉸鏈?zhǔn)芰^(guò)大，造成零件局部強(qiáng)度失效，如舉升機(jī)構(gòu)底座裂縫或斷裂等。某企業(yè)的自卸車在客戶使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)舉升機(jī)構(gòu)底座有斷裂現(xiàn)象(如圖1)，該車的舉升機(jī)構(gòu)為連桿組合式。它的工作原理是利用一套三角連桿系使舉升液壓缸以較小的行程將車廂傾斜一定的角度而卸貨，具有省力，油壓特性好，油壓系統(tǒng)壓力p隨舉升力變化平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)［2］，該車質(zhì)量為3940 kg，額定載荷重量為10 t，但客戶實(shí)際使用中經(jīng)常超載至10 t以上。

2 建立虛擬樣機(jī)模型

首先建立舉升機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。設(shè)車廂與副車架的鉸鏈點(diǎn)O為坐標(biāo)系原點(diǎn)，X軸的正向朝左，Y軸的正方向朝上，ABC為三角臂的3個(gè)鉸鏈點(diǎn)，圍繞A點(diǎn)做運(yùn)動(dòng);BD為繞D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的拉桿;CE為繞E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的油缸機(jī)構(gòu);對(duì)油缸工作過(guò)程進(jìn)行受力分析，由于只關(guān)心舉升機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件位置關(guān)系如三角板，車廂、油缸和拉桿，可以在ADAMS中簡(jiǎn)化建模。如圖3所示:長(zhǎng)方體為裝載貨物的車箱，模型綠色部分為拉桿，模型黃色部分為油缸，模型紅色部分為三角板，定義零件之間連接為旋轉(zhuǎn)，油缸活塞之間為滑動(dòng)連接。

圖1 舉升機(jī)構(gòu)底座斷裂圖片

圖2 舉升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 ADAMS仿真及Workbench有限元分析

3.1 ADAMS 仿真計(jì)算

自卸車卸貨時(shí)舉升機(jī)構(gòu)的工作是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，舉升機(jī)構(gòu)底座受力的大小和方向是隨時(shí)間變化的過(guò)程［3］，所以首先確認(rèn)何時(shí)油缸底座受到的作用力最大。在ADAMS軟件中仿真自卸車卸載10t貨物工作過(guò)程，我們能夠很直觀的看到諸如舉升角、車廂角速度、車廂角加速度、各構(gòu)件間的相互作用力等隨舉升時(shí)間變化的曲線圖，還有需要重點(diǎn)研究的舉升機(jī)構(gòu)油缸的驅(qū)動(dòng)力即舉升力的大小和變化過(guò)程。為評(píng)價(jià)和論證該機(jī)構(gòu)的舉升性能提供了必不可少的數(shù)據(jù)，由仿真數(shù)據(jù)可知，油缸作用力最大值出現(xiàn)在舉升機(jī)構(gòu)初始工作時(shí)刻，這時(shí)油缸底座所受載荷最大的，記錄此時(shí)數(shù)值，在Workbench軟件中對(duì)油缸底座受力進(jìn)行加載，計(jì)算受到的應(yīng)力值。

3.2 建立有限元模型及網(wǎng)格劃分

為了獲得更好的計(jì)算結(jié)果，本文采用UG建立三維模型，建模時(shí)可以對(duì)副車架進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，忽略副車架上一些非關(guān)鍵位置的孔，鉤耳和加強(qiáng)板等，簡(jiǎn)化后不會(huì)影響油缸底座的剛度，強(qiáng)度，也更利于網(wǎng)格劃分質(zhì)量，通過(guò)Workbench軟件與UG軟件接口，把UG模型導(dǎo)入Workbench軟件中，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能，建立有限元模型。

3.3 Workbench 加載分析

由ADAMS仿真可知，當(dāng)載荷10 t時(shí)，底座受到的最大力為2.03E5(N)，在軟件Workbench中施加載荷計(jì)算得應(yīng)力圖(如圖4)，在大梁與支撐板焊縫周圍應(yīng)力高達(dá)233.63 MPa，已達(dá)到許用應(yīng)力臨界值，長(zhǎng)期處于疲勞階段會(huì)影響使用壽命，出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

圖3 舉升機(jī)構(gòu)ADAMS模型

圖4 卸載10T載荷時(shí)等效應(yīng)力云圖

4 舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的局部?jī)?yōu)化

底座應(yīng)力局部過(guò)大產(chǎn)生原因有多種，如各鉸鏈點(diǎn)位置設(shè)計(jì)不合理，舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，嚴(yán)重超載等，首先嘗試運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)各鉸鏈點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證是否能使油缸的舉升力減小及舉升力最大值遠(yuǎn)離舉升的初始位置。ADAMS優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)有兩種方式:一種方式將所有的設(shè)計(jì)變量同時(shí)考慮進(jìn)行優(yōu)化，此方式適合設(shè)計(jì)變量數(shù)較少時(shí)使用，另一種方式分別對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，得到各變量的位置敏感度，選取敏感度最高，即對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響最大的位置變量進(jìn)行調(diào)整，該方式適合設(shè)計(jì)變量較多時(shí)使用［4］。文中首先對(duì)5個(gè)設(shè)計(jì)變量(鉸鏈點(diǎn)位置)進(jìn)行逐一優(yōu)化，得到各點(diǎn)的位置敏感度如表1所列，在C點(diǎn)上的敏感度最大，將其作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，根據(jù)得到的結(jié)果再對(duì)其它變量作第二次優(yōu)化，即得到所需的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果.按照優(yōu)化后得到的舉升油缸和拉桿鉸鏈點(diǎn)坐標(biāo)值，重新建立ADAMS模型，加載相同載荷進(jìn)行仿真得到舉升力最大值由原來(lái)的2.03E5(N)下降到了 1.64E5(N)，說(shuō)明這次修改參數(shù)是有效果的，在ANSYS中建立優(yōu)化后的有限元模型進(jìn)行受力分析，得到優(yōu)化后的應(yīng)力等效云圖(見(jiàn)圖5)，最大應(yīng)力為184.15 MPa，小于材料的許用應(yīng)力符合要求，說(shuō)明此次優(yōu)化是有效果的。

表1 設(shè)計(jì)研究結(jié)果報(bào)告匯表

圖5 化后卸載10T載荷時(shí)等效應(yīng)力力云圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電阻應(yīng)變測(cè)量技術(shù):是把應(yīng)變片粘貼在試驗(yàn)工件上，利用電阻應(yīng)變儀測(cè)取構(gòu)件表面應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系，求出應(yīng)力值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)收集舉升機(jī)構(gòu)在卸載不同載荷下的受力數(shù)據(jù)，驗(yàn)證軟件仿真和有限元分析數(shù)據(jù)是否可信，所以在測(cè)試過(guò)程中一定要取以下三點(diǎn)的位置進(jìn)行測(cè)試:液壓油缸底座、拉桿與橫梁鉸鏈處、油缸和三角板的連接處，因此可以大致得到布點(diǎn)的地方為:車廂和車架的連接點(diǎn)、車廂中部與三角板連接點(diǎn)、油缸支架與三角板處、三角板和拉桿連接處、拉桿中部和油缸與車架連接處(見(jiàn)圖6)。

首先通過(guò)儀器記錄卸載10t貨物時(shí)舉升機(jī)構(gòu)受到作用力的數(shù)值，然后處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得各測(cè)試點(diǎn)隨時(shí)間變化的應(yīng)力值曲線(見(jiàn)圖7)，最大應(yīng)力值為187.3 MPa。由于材料的使用的是Q235號(hào)鋼材，而實(shí)驗(yàn)所得的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是合理的。對(duì)比實(shí)驗(yàn)所得值和軟件計(jì)算理論值可知存在一定的誤差，誤差值為1.7%，這是由于在實(shí)際使用中受到多種因素的影響。

圖6 測(cè)試點(diǎn)的布局

圖7 卸載10T貨物時(shí)各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力曲線

6 結(jié)語(yǔ)

舉升機(jī)構(gòu)作為自卸汽車上的一個(gè)重要組成部分，其性能好壞直接影響著整車的工作能力和安全，文中主要是基于目前較為先進(jìn)的虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)自卸車液壓舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并對(duì)模型進(jìn)行有限元分析得到應(yīng)力云圖，找出設(shè)計(jì)缺陷位置(薄弱環(huán)節(jié)、應(yīng)力集中等)進(jìn)行ADAMS仿真及優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化后的產(chǎn)品進(jìn)行電測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元分析數(shù)據(jù)，說(shuō)明設(shè)計(jì)合理滿足要求。

［1］徐 達(dá)，蔣崇賢.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1998.

［2］白海英.自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析［J］.汽車研究與開發(fā)，1995(3):40－42.

［3］黃 偉，陸海漫，歐長(zhǎng)松，等.自卸車副車架的分析及優(yōu)化［J］.裝備制造技術(shù)，2011.(7):3 －5.

［4］尹輝俊.虛擬環(huán)境下自卸車舉升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真與優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2006，23(5):30 －32.