低平板組合掛車分載系統(tǒng)設(shè)計

陳東發(fā) 馬力 謝婷婷

CHEN Dong-fa et al

武漢理工大學汽車工程學院 湖北武漢 430070

1 前言

在運輸過程中，低平板組合掛車的承載能力是由低貨臺及其與車輛模塊的拼車連接結(jié)構(gòu)的承載能力共同決定的。國內(nèi)外常見的車輛模塊及其拼車連接結(jié)構(gòu)已經(jīng)標準化，低貨臺的拼車連接結(jié)構(gòu)也與之相適應，目前國內(nèi)常用的拼車連接結(jié)構(gòu)的最大承載能力為230 t，使得低平板組合掛車的承載能力也不能超過230 t。然而隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，需要低平板組合掛車承擔更大噸位的運輸任務越來越多，因此，在拼車連接結(jié)構(gòu)不變的情況下提高低平板組合掛車的承載能力已越來越重要。目前，國內(nèi)主要通過使用高強度材料和采用輕量化的方法來直接或間接地提高低平板組合掛車的承載能力[1-3]。本文研究了低平板組合掛車的分載問題，設(shè)計出了一種分載系統(tǒng)，它可使部分貨物的質(zhì)量直接分載到前后車輛模塊上，使拼車連接結(jié)構(gòu)的載荷不超過標準要求，以此利用車輛模塊軸線數(shù)可增加的特性來整體提高低平板組合掛車的承載能力。文中給出了分載系統(tǒng)的分載原理，進行了分載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對典型車輛建立了有限元模型并進行了有限元分析。計算結(jié)果表明所設(shè)計的分載系統(tǒng)是可行且有效的。

2 分載原理和方案

低平板組合掛車由車輛模塊和低貨臺通過拼車連接結(jié)構(gòu)拼接而成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。理論上低平板組合掛車可以通過增加車輛模塊的軸線數(shù)增加整車的承載能力，然而由于拼車連接結(jié)構(gòu)的承載能力有限，導致整車的承載能力受到限制。因此，設(shè)計了一種分載系統(tǒng)，將部分載質(zhì)量直接分載到車輛模塊上，使拼車連接結(jié)構(gòu)受到的力在其可承受的范圍之內(nèi)，避免車輛模塊及其連接結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計導致車輛模塊喪失拼車標準性和通用性，已經(jīng)顯得越來越重要。

本文設(shè)計的分載系統(tǒng)采用拱橋的原理實現(xiàn)分載，其裝車結(jié)構(gòu)如圖2所示。分載系統(tǒng)主要由拱形分載橋、支座和液壓油缸組成。拱形分載橋通過銷軸鉸接在支座上，支座通過螺栓固定在車輛模塊上，液壓油缸的上下端分別與拱形分載橋和低貨臺連接，共設(shè)計了8個液壓油缸。拱形分載橋的主要作用是承接和傳遞分載力；支座的作用是固支以及將拱形分載橋傳來的力傳到車輛模塊上；液壓油缸起著吊索的作用，同時通過改變油壓可以調(diào)節(jié)和控制分載力。在運輸貨物時，分載力通過液壓油缸傳遞到拱形分載橋上，再通過拱形分載橋傳遞到支座上，最后通過支座傳遞到車輛模塊上，從而起到分載的目的。對于不同噸位的貨物運輸，可根據(jù)需要，通過調(diào)節(jié)液壓油缸的油壓來改變分載力的大小，以確保拼車連接結(jié)構(gòu)承受的載荷始終在標準范圍之內(nèi)。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

低平板組合掛車的拼車連接結(jié)構(gòu)是用于連接低貨臺和車輛模塊的結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由接觸端面、連接孔和拼接耳板組成。低貨臺與車輛模塊下部由拼接耳板通過連接銷鉸接在一起，由銷軸傳遞連接力，上部主要通過連接端面連接。

為了確保分載系統(tǒng)的有效性，有必要對分載前后的車輛模塊及其拼車連接結(jié)構(gòu)進行受力分析。由于圖2所示的低平板組合掛車是前后對稱結(jié)構(gòu)，因此只需取前車輛模塊及其拼車連接結(jié)構(gòu)進行分析。圖4為加裝分載系統(tǒng)后前車輛模塊及其拼車連接結(jié)構(gòu)的受力簡圖，其中，低貨臺與車輛模塊剛性連接。分載系統(tǒng)及低貨臺的質(zhì)量相對于載質(zhì)量而言較小，因此忽略分載系統(tǒng)及低貨臺的重力因素。圖4中，A為拼車連接結(jié)構(gòu)的接觸端面，B為拼接耳板，C點為各車輪支撐反力的合力位置，一般位于車輛模塊的中心。設(shè)F1為各車輪支撐反力的合力，作用點在C處；若不計接觸端面A的摩擦力，則A處只受到來自低貨臺的水平接觸力，設(shè)該水平力為F2； F3、F4分 別為連接銷對B的水平力和垂直力；F5、F6分別為支座受到的垂直力和水平力。用L1表示C和B之間的水平距離，L2表示A與B之間的垂直距離，L3表示支座的高度，L4表示支座中心至A的水平距離。

圖4中總共有6個力，設(shè)貨物質(zhì)量為W，分載系統(tǒng)液壓油缸的油壓為P，油缸的活塞面積為S。按8個油缸計算，則可推導出其中兩個力F1和F5：

剩余4個未知力F2、F3、F4和F6，不能用三個平衡方程求出。由于F6的大小與拱形分載橋和支座的設(shè)計有關(guān)，可將F2、F3和F4用F1、F5和F6表示。根據(jù)力矩平衡和力平衡方程可得：

當車輛制動或加速時，F(xiàn)5和F6會發(fā)生變化，變化情況取決于分載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛度貢獻，由于低平板組合掛車的運輸速度較低，F(xiàn)5和F6的變化情況可通過有限元計算得到。加裝分載系統(tǒng)后，拼車連接結(jié)構(gòu)受力的公式即為式(1)，此時，若令F5=0，F(xiàn)6=0，則可得到未加裝分載系統(tǒng)的拼車連接結(jié)構(gòu)的接觸端面及拼接耳板的受力公式：

由于F5、F6、L2、L3和L4皆為正值，因此可得出式(1)中的F2、F3和F4比 式(2)中的F′2、F′3和F′4小，即加裝分載系統(tǒng)后，拼車連接結(jié)構(gòu)接觸端面所受力和拼接耳板所受垂直力以及水平力都減小了，減小的程度與F5和F6的 大小有關(guān)，其中F5的大小可通過改變液壓油缸的油壓來調(diào)節(jié)，F(xiàn)6則與拱形分載橋及支座的設(shè)計有關(guān)。因此，通過調(diào)節(jié)油壓以及合理的分載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計可以保證拼車連接結(jié)構(gòu)受到的力始終在標準范圍之內(nèi)。

4 分載系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)分載原理和結(jié)構(gòu)的受力分析，以某企業(yè)生產(chǎn)的典型車輛為例進行分載系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計要求原本最大承載量為230 t的低平板組合掛車在加裝分載系統(tǒng)后，至少可以承載300 t的貨物。取載荷系數(shù)為1.2，則要求分載系統(tǒng)至少分載130 t的質(zhì)量。

4.1 拱形分載橋的設(shè)計

拱形分載橋為分載系統(tǒng)中的傳力機構(gòu)，是將載荷成功分載到前后車輛模塊的關(guān)鍵。根據(jù)低貨臺相關(guān)參數(shù)及貨物尺寸，取拱形分載橋軸線拱高h=2200 mm，跨距l(xiāng)k=22000 mm，其軸線函數(shù)為：

式中，h為拱形橋拱高，l為拱形橋跨距。

為了減輕自重，拱形梁采用矩形截面的空心梁，材料為鋼板，截面尺寸（寬×高）為300 mm×500 mm，上下面板厚取12 mm，左右腹板厚為8 mm。為了增加拱形分載橋的穩(wěn)定性，在兩個分載梁中間焊接9根穩(wěn)定橫梁，其焊接位置如圖5所示 。穩(wěn)定橫梁取截面為圓形的空心梁，經(jīng)過計算，取其外徑為140 mm，壁厚為8 mm 。

4.2 液壓油缸和支座的設(shè)計

液壓缸按其結(jié)構(gòu)特點的不同可分為多種，選擇雙作用單活塞桿液壓缸作為分載系統(tǒng)的液壓油缸。分載系統(tǒng)的分載量為130 t，一共有8個油缸，所以，每個油缸要求的負載為16.25 t。若油缸的工作壓力取10 MPa，根據(jù)計算可得出液壓油缸的各個參數(shù)：缸體外徑D1=184 mm，缸體厚度δ=16 mm，液壓缸內(nèi)徑D=160 mm，活塞桿外徑d=70 mm。

支座為盒型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部焊接有若干個加強板，左右兩邊各設(shè)一組連接耳與拱形分載橋鉸接，底部則通過6個螺栓固定在車輛模塊的車架上。支座所用的板件皆為厚度為30 mm的鋼板，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5 結(jié)構(gòu)有限元分析和支座拓撲優(yōu)化設(shè)計

對低貨臺及分載系統(tǒng)進行有限元分析，可以檢驗分載系統(tǒng)的分載效果及設(shè)計的合理性。分析時，設(shè)貨物的質(zhì)量為300 t，取安全裝載系數(shù)為1.2，則整車承擔的載荷為360 t，每個油缸的負載為16.25 t。低貨臺和分載系統(tǒng)使用的材料均為屈服極限為800 MPa的高強度鋼。

5.1 低貨臺的有限元分析

低平板組合掛車主要用于特種重型裝備的場地運輸或規(guī)劃運輸，且液壓模塊車輛的車輪具有調(diào)平作用，因此只需考慮正常行駛的工況即可。由于低貨臺為中心對稱結(jié)構(gòu)，因此只需取其1/4結(jié)構(gòu)進行分析。圖7為加裝分載系統(tǒng)后低貨臺的應力分布云圖，圖中區(qū)域1為拼車連接結(jié)構(gòu)的接觸端面，區(qū)域2和區(qū)域3為拼接耳板根部的上緣和下緣，3個區(qū)域為極易產(chǎn)生應力集中的區(qū)域。計算結(jié)果表明，加裝分載系統(tǒng)后的低貨臺整體應力水平較低，基本在200 MPa以下，僅區(qū)域3的局部地區(qū)應力在400 MPa左右，最大應力僅為572 MPa，滿足結(jié)構(gòu)的強度要求。

在同等的載重條件下，對未加裝分載系統(tǒng)的低貨臺進行有限元分析，其應力分布云圖如圖8所示。計算結(jié)果表明，貨臺部分應力基本在400 MPa以下，滿足強度要求，然而圖7所圈出的3個區(qū)域應力集中非常嚴重。區(qū)域1中有相當一部分區(qū)域的應力超過了600 MPa，區(qū)域2和區(qū)域3中應力水平在600 MPa以上的區(qū)域已經(jīng)成片，最大應力達到1140 MPa。因此，若用未加分載系統(tǒng)的低平板組合掛車運輸300 t貨物，其拼車連接結(jié)構(gòu)將遭到破壞。

5.2 分載系統(tǒng)的有限元分析

分載系統(tǒng)為中心對稱結(jié)構(gòu)，因此只需取其1/4結(jié)構(gòu)進行分析。為了簡化計算，分析時去掉了液壓油缸部分，將油缸傳遞的分載力直接作為外載施加到拱形分載梁上。圖9為分載系統(tǒng)的應力云圖。計算表明，分載系統(tǒng)的整體應力不高，基本都在300 MPa以下，最大應力為384 MPa。支座除少數(shù)區(qū)域外大部分區(qū)域應力水平也都在300 MPa以下，最大應力為364 MPa。

5.3 支座的拓撲優(yōu)化設(shè)計

由分載系統(tǒng)的有限元分析可知，支座的整體應力水平不高，且初步設(shè)計的支座質(zhì)量偏大，因此有必要對支座進行拓撲優(yōu)化設(shè)計。將支座的底板和連接耳板設(shè)置為非設(shè)計區(qū)域，其余的為設(shè)計區(qū)域。以結(jié)構(gòu)最大應力小于600 MPa為約束條件，結(jié)構(gòu)體積最小為優(yōu)化目標，設(shè)計區(qū)域單元密度為設(shè)計變量對支座進行拓撲優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過迭代計算，找到支座的最佳載荷傳遞路徑，對得到的拓撲結(jié)構(gòu)進行合理的可制造處理，得到支座的拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖，如圖10所示。

對支座拓撲優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行有限元分析，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的應力云圖如圖11所示。計算結(jié)果表明，拓撲優(yōu)化設(shè)計后，支座整體結(jié)構(gòu)的最大應力為304 MPa，位于耳板下斜叉與底板的焊接處，與結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)過渡有關(guān)。將拓撲優(yōu)化設(shè)計前后的支座進行對比可得，拓撲優(yōu)化設(shè)計之后，支座的最大應力下降了16%，質(zhì)量減輕了15%，可見對支座的拓撲優(yōu)化設(shè)計的效果良好。

6 結(jié)語

a. 受力分析及有限元計算結(jié)果表明，分載系統(tǒng)的思路和原理是可行的，分載系統(tǒng)的設(shè)計是有效的，結(jié)構(gòu)滿足分載要求和強度要求，可以利用現(xiàn)有標準化和通用化車輛模塊實現(xiàn)300 t貨物的安全運輸；

b. 對于質(zhì)量為300 t以上的貨物運輸，可以利用本文的分載原理和設(shè)計思路定制相應的分載系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的通用化和標準化車輛模塊，實現(xiàn)更大載荷貨物的低平板運輸。

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