“ω型”自卸車貨箱結構設計

文 計京寶 王鴻舉 毛盛敏

“ω型”自卸車貨箱結構設計

許多自卸車之所以越做越重、板料越用越厚，主要原因是如果底板剛度不足，自卸車貨箱底板會在反復的不規(guī)范裝載下受到沖擊，產生塑性變形從而引發(fā)底板斷裂失效。基于此，筆者借鑒了大壩和拱形橋梁的設計理念，提出了“ω”型底板結構的自卸車貨箱設計。

文 計京寶 王鴻舉 毛盛敏

自卸車是工程建設中建筑材料、土石方等運輸的主要設備，由于其具有結構簡單、運輸效率高、卸料快捷等優(yōu)勢而得到快速發(fā)展。但受我國道路收費標準高、用戶貨物裝載不規(guī)范等多種原因的影響，許多自卸車貨箱越做越大，材料越來越厚，超載現象也越來越嚴重。這種狀況不僅導致道路嚴重損壞，還會造成車輛油耗增加、排放增多及材料浪費，不利于降低制造、使用成本，也與倡導節(jié)能減排的思路相違背。為了解決這一問題，筆者將自卸車貨箱的改進作為新的課題。

1 貨箱設計背景

如果自卸車貨箱底板剛度不足，在反復的不規(guī)范裝載下，受到沖擊產生的塑性變形會引發(fā)底板斷裂失效，這導致當前工程自卸車越做越重、板料越用越厚。據調查，目前市場上自卸車貨箱底板所用板料最厚的已達到20 mm。

當前工程自卸車市場競爭十分激烈，如果自卸車生產廠家的制造成本得不到有效遏制而導致用戶使用成本不斷提高，那么生產企業(yè)只有等待被市場淘汰的命運。這就促使生產廠家改變固有的設計思路和生產方式，不斷創(chuàng)新，不斷推出減重方案。

目前，普遍采用降低貨箱自質量的2種優(yōu)化方式：

一種是采用高強度鋼板，以降低材料厚度，達到降低貨箱自質量的目的。此種方式大多只是簡單的用高強度板材代替低強度板材，通過降低板材厚度達到降低貨箱自質量的效果，車輛本身的結構未發(fā)生改變，仍為通用的方型貨箱。

另一種是采用“U”型貨箱結構和高強度鋼板并舉的辦法降低貨箱自質量。“U”型結構設計中，貨箱邊板采用折彎成型件，為了增強邊板強度采用加強筋，因而可通過減少邊板加強筋的數量來降低貨箱自質量；同時又采用高強度鋼板替代低強度板，綜合達到降低貨箱自質量的目的。此種方式雖然較第一種方型貨箱的自質量又進一步減輕，但仍然未能改變貨箱底板的結構，同樣需要增厚板材來增強底板剛度。

2 “ω”型貨箱結構設計

如何改變目前這種通過增厚板材來增強剛度，進而導致貨箱增重的模式呢？在對貨箱進行的結構優(yōu)化設計中，筆者提出了以提高貨箱底板剛度、同時滿足輕量化要求為目標的設計思路?；诖?，筆者借鑒了大壩和拱形橋梁的設計理念，提出了“ω”型底板結構的自卸車貨箱設計方案。

“ω”型自卸車貨箱是在“U”型貨箱的基礎上對其底板結構進行改進而成的。將改進后的底板與邊板拼裝結合后，從箱體截面看，其結構為中間弧型凸起、兩側凹下，近似“ω”形狀的貨箱結構型式，因此稱之為“ω”型貨箱(如圖1、圖2)。

2.1 貨箱的CAE有限元對比分析

在同等工況、同等材質、同樣的外形尺寸和相同的加載條件下，對改進前后的貨箱結構進行CAE仿真分析。

本文以長5.6 m、內寬度2.3 m、邊板高度1.2 m的貨箱為例，分別在2種貨箱底板上均布加載400 000 N。貨箱底板變形量對比表見表1，方型貨箱底板變形量如圖3所示，“ω型”貨箱底板變形量如圖4所示。

從表1中的數據對比情況可知，“ω型”自卸車貨箱底板變形量遠小于方型自卸車貨箱底板變形量。由此可以得出，“ω型”自卸車貨箱凸弧型底板的剛度、抗沖擊性等性能明顯提高。

通過對原方型自卸車貨箱底板結構的改變，在承受同等載荷的情況下，采用“ω型”設計的自卸車貨箱完全可用薄板替代厚板作為貨箱底板使用，這樣就可使貨箱自質量有效減輕。通過理論計算，貨箱所耗材料質量變化情況如表1所示，由數據可知“ω型”貨箱底板厚度為8 mm時的結構強度相當于底板厚度14 mm方型貨箱。經過計算，相對于方型貨箱而言，僅底板“薄代厚”一項，減輕的材料質量就達到了320 kg。

表1 貨箱底板變形量對比表 mm

通過以上數據的對比分析可知，改進后的“ω型”貨箱凸弧型底板在剛度明顯增強、自質量有效減輕的同時，其容積也有所損失，約0.67 m3。損失的容積占整個貨箱容積的4.3%，＜5%。顯然，對于目前整個行業(yè)普遍超載運輸的現狀來說，損失的容積對總運輸量的影響程度很小。但貨箱底板剛度的增強，質量的減輕，能使車輛油耗降低，使用壽命得以延長，因此，綜合分析比較，改進后的“ω型”貨箱的應用能有效降低用戶的使用成本。

2.2 貨箱的生產工藝難點分析

“ω型”自卸車貨箱底板的結構形式，相對普通方型自卸車貨箱底板更為復雜，這給生產制造環(huán)節(jié)提出了較高的工藝要求。因此，需要合理的工藝方案及有效的工裝配套做保障，才能減少“ω型”自卸車貨箱生產制造上的困難，以適合批量生產的需要。

凸弧型底板制作成型是“ω型”貨箱制作工藝上的主要難點，該成型樣件尺寸控制得合理與否，直接關系到其他部件能否與之拼合到位。由于底板由中間凸弧型板和兩側延伸的水平板構成(如圖2)，此種結構如不能一次加工成型，而是采用中間凸弧型板與兩側水平板拼接方式，將增加焊接的工作量，同時對接部位的強度也很難保證。經過對比分析和樣件試制，最終，在工藝上采用滾壓方式，該方法很好地解決了一次加工成型問題。

由于是異型箱體結構，“ω型”貨箱總拼焊流程是難點，因此，貨箱拼合后尺寸控制是主要問題，如按方型廂體工藝流程方式進行尺寸控制，則較困難；因此，必需采用工裝定位來保障貨箱的拼合尺寸。

“ω型” 自卸車貨箱設計方案的提出，解決了當前自卸車依靠不斷增加底板厚度來實現貨箱底板剛度提升的落后方式，降低了生產環(huán)節(jié)制造成本的增加，從而也為用戶減輕負擔。本文只是對自卸車貨箱改進性設計提供的一種思路，希望更多的工程設計人員能夠提出自己更好的設計構思。

[1] 劉哲義 何明輝, 專用汽車構造, 武漢工業(yè)大學出版社, 1994

(注：本文作者單位系重慶凱瑞特種車有限公司。)