55 t重型自卸車(chē)平衡懸架用推力桿斷裂分析

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(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

把公路用自卸車(chē)改裝為非公路用自卸車(chē)時(shí) ，由于路況惡劣、超載嚴(yán)重和設(shè)計(jì)初期仿真分析欠缺等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的礦用重型自卸車(chē)不同程度地發(fā)生因推桿失效而導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性低的問(wèn)題，是一個(gè)亟待研究的課題[1-2]。

在某礦山作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，某公司生產(chǎn)的三軸礦用重型自卸車(chē)其整車(chē)整備質(zhì)量21 t,最大裝載質(zhì)量55 t,重載常用車(chē)速10 km/h , 空載常用車(chē)速30 km/h。在投入運(yùn)營(yíng)不久后，頻繁發(fā)生平衡懸架用上推力桿裂紋甚至斷裂的故障，嚴(yán)重影響了整車(chē)的使用壽命和正常的礦山作業(yè)，給企業(yè)和用戶帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為此利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)推桿進(jìn)行特性分析，以便找出推桿過(guò)早斷裂的原因，并提出改進(jìn)方案。

1 推力桿結(jié)構(gòu)

兩橋平衡懸架的鋼板彈簧能夠把載荷平均分配給中、后橋，保證了在各種工況下兩橋或多橋之間載荷的均衡性，從而提高了重型汽車(chē)輪胎的接地性，被廣泛應(yīng)用于重型汽車(chē)上，但是平衡懸架只能傳遞垂向力和側(cè)向力，而不能傳遞牽引力和制動(dòng)力及相關(guān)力矩，需在中、后橋上安裝上推力桿和下推力桿，用來(lái)傳遞縱向載荷及力矩，如圖1所示。因此，推力桿作為平衡懸架的關(guān)鍵部件之一，承擔(dān)傳遞牽引力和制動(dòng)力及相關(guān)力矩的作用，必須要有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

推力桿由推力桿頭、柱管、橡膠襯套總成、彈性擋圈組成，其中橡膠襯套總成由橡膠、銷(xiāo)軸構(gòu)成。平衡懸架中的推力桿結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 平衡懸架結(jié)構(gòu) 圖2 推力桿結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2 推力桿有限元分析

2.1 有限元模型

為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算經(jīng)濟(jì)性，依據(jù)圖紙將整個(gè)推力桿簡(jiǎn)化為5個(gè)部分，分別為推力桿主體、兩個(gè)銷(xiāo)軸模型及兩個(gè)橡膠套模型，對(duì)結(jié)構(gòu)做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，圖紙中的圓角等不予考慮。由于推力桿中含有非線性力學(xué)特性的橡膠，為便于計(jì)算分析，根據(jù)推力桿的結(jié)構(gòu)和受力狀況，在建立有限元模型時(shí)，采用1/4模型，如圖3所示。對(duì)橡膠采用C3D8H單元?jiǎng)澐?，?duì)金屬構(gòu)件采用C3D8R單元和C3D4單元?jiǎng)澐帧?/p>

圖3 推力桿組成部件有限元模型及應(yīng)力圖

2.2 靜力分析結(jié)果

橡膠參數(shù)為硬度HS50時(shí)各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)，根據(jù)整車(chē)彎曲工況的推力桿受力情況，利用管柱的平均應(yīng)力計(jì)算出軸向力并考慮安全設(shè)計(jì)系數(shù)，在ABAQUS中的軸向力值為240 kN[3]，約束推力桿一端銷(xiāo)軸，再另一端銷(xiāo)軸施加面載荷，整體應(yīng)力云圖如圖4所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果推力桿各部件應(yīng)力見(jiàn)表1。

表1 推力桿各部件最大應(yīng)力邊界狀況銷(xiāo)軸/MPa推力桿頭/MPa管柱/MPa約束一端185350176加載一端225360176

圖4 6.69 Hz模態(tài)振型

從各部件的應(yīng)力圖及其表1中的數(shù)據(jù)看出，對(duì)于推力桿頭和銷(xiāo)軸在受力一端處相較于約束一端應(yīng)力值較大，而對(duì)于橡膠套來(lái)說(shuō)則相反，其最大的應(yīng)力出現(xiàn)在約束一端處，橡膠套的最大應(yīng)力相對(duì)于其他部件小了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，不易造成失效。推力桿頭的最大應(yīng)力值是360 MPa，銷(xiāo)軸的最大應(yīng)力為225 MPa，大于推桿的材質(zhì)45號(hào)鋼的許用應(yīng)力180 MPa，使用過(guò)程中可能最先發(fā)生失效，這一分析結(jié)果與實(shí)際故障位置是吻合的。

2.3 不同橡膠硬度推力桿強(qiáng)度分析

推力桿中采用橡膠襯套，而每種橡膠制品都有它特定的使有用性能和工藝要求，為了滿足物理性能要求需選擇適合的聚合物和配合劑進(jìn)行合理的配方設(shè)計(jì)，而配方設(shè)計(jì)與橡膠硬度存在一定的關(guān)系。為了考察橡膠在推力桿中的作用，對(duì)5種肖氏硬度的橡膠推力桿在ABAQUS進(jìn)行有限元分析，分析中所用的邊界約束條件和載荷條件不變，銷(xiāo)軸和推力桿頭部應(yīng)力隨硬度的變化見(jiàn)表2。

表2 不同橡膠硬度的推力桿各部件最大應(yīng)力橡膠硬度HS邊界狀況銷(xiāo)軸/MPa推力桿頭/MPa管柱/MPa40約束一端18434817640加載一端22435717650約束一端18535017650加載一端22536017660約束一端18837017660加載一端22538117670約束一端19141617670加載一端22542717680約束一端19649817680加載一端225509176

由表2可以看出，硬度不同的橡膠套對(duì)推力桿的整體強(qiáng)度存在一定的影響，隨著硬度的增大，管柱的應(yīng)力值變化較小，銷(xiāo)軸受力一端的應(yīng)力變化也不明顯，約束一端的應(yīng)力值小幅度上升，推力桿頭的部分應(yīng)力值上升明顯。綜合考慮對(duì)推力桿的強(qiáng)度和剛度要求及橡膠本身的強(qiáng)度要求，橡膠的硬度選擇HS50為宜。

2.4 模態(tài)分析

在ABAQUS中，具有頻率提取功能，只要給出關(guān)心的振型數(shù)目和頻率范圍，就可以方便地提取振型和其對(duì)應(yīng)的頻率，推力桿的各階固有頻率見(jiàn)表3，圖4為6階頻率所對(duì)應(yīng)的振型圖。結(jié)合識(shí)別出的模態(tài)頻率、模態(tài)振型分析結(jié)果可以看出[4]：推力桿的5階至10階模態(tài)頻率(4.5～12.9 Hz)，未避開(kāi)路面對(duì)汽車(chē)的激振頻率范圍和非懸掛質(zhì)量的固有頻率，有可能發(fā)生整體共振現(xiàn)象，加劇推力桿的損壞，建議提高推力桿的剛度。

表3 模態(tài)頻率Hz階數(shù)頻率階數(shù)頻率階數(shù)頻率階數(shù)頻率10.1366.691114.421630.4220.3378.001217.981732.1830.9388.581320.151840.0942.49910.321426.511941.4855.571013.481528.582043.05

2.5 屈曲分析

在ABAQUS中進(jìn)行推力桿屈曲分析，看其是否存在失穩(wěn)的現(xiàn)象。在屈曲分析時(shí)給定一個(gè)初始載荷，ABAQUS計(jì)算過(guò)程中會(huì)試算可能經(jīng)歷的載荷形式，當(dāng)載荷增加至結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲時(shí)記錄增大的幅度，也即記錄屈曲特征值[5]。一階屈曲特征圖如圖5所示。前十階屈曲特征值見(jiàn)表4，4階振型如圖6所示。

圖5 一階屈曲特征圖 圖6 4階屈曲振型圖

從圖5可見(jiàn)，推力桿中部發(fā)生褶皺，并且存在明顯的扭曲變形，說(shuō)明推力桿失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲彎曲，對(duì)應(yīng)實(shí)際工況中推力桿變彎情況。

表4 屈曲特征值階數(shù)特征值階數(shù)特征值12 290.762 496.622 296.872 795.132 468.682 796.642 485.092 796.752 486.9102 800.0

由表4可以看出,其特征值數(shù)量級(jí)在103，由于初始施加面載荷為1.5 MPa，屈曲載荷是初始載荷與屈曲特征值的乘積，顯然得出其第一階屈曲載荷的數(shù)量級(jí)同樣在103，推力桿使用過(guò)程中載荷多數(shù)情況下在數(shù)量級(jí)102范圍內(nèi)，較少能達(dá)到屈曲載荷的數(shù)量級(jí)，可見(jiàn)該結(jié)構(gòu)斷裂失效為主要問(wèn)題，失穩(wěn)問(wèn)題發(fā)生較少。實(shí)際零件只有少量出現(xiàn)結(jié)構(gòu)彎曲嚴(yán)重問(wèn)題，大量失效為推力桿部件斷裂，這與計(jì)算結(jié)果吻合。

3 結(jié)論

(1)有限元強(qiáng)度分析得出的推力桿接頭部和銷(xiāo)軸處的最大應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料的許用應(yīng)力，與實(shí)際發(fā)生斷裂的位置是一致的，驗(yàn)證了計(jì)算的正確性。

(2)推力桿接頭部位和銷(xiāo)軸芯部位為推力桿的薄弱環(huán)節(jié)，使用中可能最先發(fā)生破壞，應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或選用強(qiáng)度更高的材料。建議適當(dāng)增大弧過(guò)渡半徑以提高球頭強(qiáng)度，另外可以改變球頭和銷(xiāo)軸芯部材料或熱處理方式以提高兩處強(qiáng)度。

(3)橡膠的硬度對(duì)推力桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度有一定的影響，通過(guò)多方案分析比較，在設(shè)計(jì)橡膠配方時(shí)，橡膠的硬度50°附近為宜。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張俊榮,李建林.40 t重型汽車(chē)平衡懸架用推力桿的強(qiáng)度設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)技術(shù)，2008(3) ：19-22.

[2]王興宇.大噸位自卸車(chē)輕量化研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院,2009.

[3]林昊.重型自卸車(chē)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)[D]. 石家莊：石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2012.

[4]馮國(guó)勝,楊紹普.車(chē)輛現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[5]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.