輪履復(fù)合式救援工程機(jī)械底盤車橋設(shè)計(jì)與有限元分析*

□ 宋可清 □ 馮華山 □ 趙文濤 □ 張 娜

西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 西安 710072

目前救援工程機(jī)械的底盤多采用單一的輪胎式或履帶式設(shè)計(jì)，在災(zāi)難發(fā)生時(shí)，輪胎式的救援工程機(jī)械可以迅速地抵達(dá)災(zāi)難現(xiàn)場，但是在救援現(xiàn)場惡劣的地面狀況下，輪胎式的救援工程機(jī)械的救災(zāi)作業(yè)極為不便；而履帶式救援工程機(jī)械對于救援現(xiàn)場惡劣的地面狀況適應(yīng)性很強(qiáng)，但是在災(zāi)難發(fā)生時(shí)不能很快地趕赴救援現(xiàn)場，長距離運(yùn)行時(shí)需借助其它運(yùn)輸車輛，給搶險(xiǎn)救援帶來諸多不便。針對輪胎和履帶式行走裝置的利弊，設(shè)計(jì)的一種輪履復(fù)合式救援工程機(jī)械底盤，可根據(jù)實(shí)際情況切換不同的行駛方式，更加快捷、方便地展開救援工作。

該機(jī)械底盤在輪胎行駛的情況下采用液壓馬達(dá)四輪驅(qū)動，由于包括履帶行駛機(jī)構(gòu)的整車質(zhì)量都由前后橋來承擔(dān)，尤其在惡劣的行駛環(huán)境下，對車橋的強(qiáng)度和抗共振的性能提出了更高的要求。為此，在設(shè)計(jì)過程中，有必要對輪履復(fù)合式搶險(xiǎn)救援工程機(jī)械所處的工況進(jìn)行探討和研究，利用有限元法對車橋在典型工況下的強(qiáng)度進(jìn)行校核和優(yōu)化，并通過模態(tài)分析考察車橋抗共振的性能，從而為搶險(xiǎn)救援工程機(jī)械的研制提供理論依據(jù)。

1 車橋結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)液壓馬達(dá)四輪驅(qū)動的動力方式，設(shè)計(jì)車橋的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，前后橋結(jié)構(gòu)相同，分別由主梁、轉(zhuǎn)向架、轉(zhuǎn)向主銷、液壓馬達(dá)和輪胎組成。主梁采用“剪叉式”結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)向主銷與兩側(cè)的轉(zhuǎn)向架連接；輪胎（包括輪輞）采取雙胎布置，通過液壓馬達(dá)安裝在轉(zhuǎn)向架上；前橋通過鉸接架與車身連接；橫梁和轉(zhuǎn)向架為焊接件。根據(jù)輕量化的設(shè)計(jì)原則，選用的材料為Q550D高強(qiáng)鋼，材料的機(jī)械性能見表1。

▲圖1 車橋結(jié)構(gòu)

表1 車橋材料性能參數(shù)

2 工況分析

對于輪履復(fù)合式救援工程機(jī)械，車橋是在輪胎行駛情況下最主要的承力件，受道路狀況、氣候條件以及車輛的運(yùn)行狀態(tài)影響，車橋的受力情況千變?nèi)f化。在實(shí)際計(jì)算過程中，要對車橋在下述3種典型行駛工況下的受力情況進(jìn)行分析：①動載工況：車輪受最大鉛垂力，即行駛于不平路面上時(shí)所受沖擊載荷；②側(cè)滑工況：車輪承受最大側(cè)向力，即車輛側(cè)滑；③緊急制動工況：車輪承受最大切向力，即輪胎行駛情況下緊急剎車。輪履復(fù)合式救援工程機(jī)械的整機(jī)參數(shù)見表2。

表2 整機(jī)參數(shù)

由于整車向前偏心，前橋的受力情況更惡劣，因此只討論前橋的受力。如圖2所示，前橋左右兩輪受到的地面反力分別為垂直向上支撐力Z1L和Z1R、側(cè)向力Y1L和Y1R，車身方向切向力為X1L、X1R；3種工況下地面的反力情況見表3（在實(shí)際計(jì)算過程中，動載工況下取動載系數(shù)為2.5，附著系數(shù)取為0.8）。

▲圖2 車橋受力簡圖

表3 車橋各工況受力大小/kN

3 有限元模型建立

3.1 有限元模型建立

橋體主梁和轉(zhuǎn)向架等采用板材件焊接而成，采用Shell63單元進(jìn)行模擬，對于整個(gè)橋體在有限元建模和添加約束的過程中，進(jìn)行如下簡化處理。

（1）輪胎輪輞及液壓馬達(dá)部分不用進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)校核計(jì)算，因此在輪胎與地面接觸點(diǎn)與液壓馬達(dá)和轉(zhuǎn)向架連接的部分建立剛性區(qū)域，形成機(jī)構(gòu)傳力路徑。

（2）轉(zhuǎn)向架與主梁之間、上橋架與下橋架之間的銷軸連接采用剛性區(qū)域的處理辦法。

（3）將下橋架與車橋進(jìn)行耦合處理，以模擬兩者之間的高強(qiáng)螺栓連接。

（4）不計(jì)非受力元件，忽略焊接工藝邊及較小的圓角［2］。

這樣建立的有限元模型及其約束的添加情況如圖3所示，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為12 341，單元數(shù)為12 079。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析及優(yōu)化

分別在輪胎與地面的接觸區(qū)域的中點(diǎn)加載力，得到3種工況下的等效應(yīng)力云圖，如圖4、5、6所示。可以看出，側(cè)滑和制動工況下橋體的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力都不大（不超過330 MPa），滿足強(qiáng)度要求（材料Q550D，屈服極限550 MPa，安全系數(shù)取1.34，許用應(yīng)力為 410 MPa［3］）。 在動載工況下，橋體的受力情況最惡劣，最大應(yīng)力為469.3MP，出現(xiàn)在主梁與橋架的連接處，超出了材料的許用應(yīng)力。由原模型的有限元分析結(jié)果可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在主梁上與橋架連接的螺栓連接座上部，由于該部分截面突變，引起了應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在螺栓連接座的外側(cè)增焊過渡板（如圖7所示）。

改進(jìn)后車橋的有限元模型如圖8所示，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為12 501，單元總數(shù)為12 319，約束與原結(jié)構(gòu)相同，考慮到3種工況中動載工況應(yīng)力最大，為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，僅就動載工況進(jìn)行有限元計(jì)算。有限元分析結(jié)果如圖9所示，整體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及分布與原結(jié)構(gòu)接近，最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在主梁與橋架連接的螺栓連接座上部，應(yīng)力值降為379.9MPa。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。

4 模態(tài)分析

▲圖3 車橋有限元模型

▲圖4 動載工況受力云圖

▲圖5 側(cè)滑工況受力云圖

▲圖6 制動工況受力云圖

▲圖7 改進(jìn)前后主梁螺栓連接座處結(jié)構(gòu)

▲圖8 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)有限元模型

▲圖9 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)動載工況受力云圖

在ANSYS中，結(jié)構(gòu)的固有振動特性分析又稱為模態(tài)分析，這種分析用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，其結(jié)果可以作為瞬態(tài)動力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析等其它動力分析的基礎(chǔ)。

輪履復(fù)合式救援工程機(jī)械在輪胎行駛下，在保證車橋有足夠強(qiáng)度的同時(shí)，還需考慮其振動情況。在正常行駛情況下，為避免產(chǎn)生共振，橋體固有頻率必須大于其工作頻率。采用Block Lanczos法對改進(jìn)后的橋體進(jìn)行模態(tài)分析，得到如表4的一～五階固有振動頻率。

表4 車橋一～五階固有振動頻率/Hz

輪履復(fù)合救援工程機(jī)械在趕赴救援現(xiàn)場的過程中，在行駛中來自路面的激勵不僅與路面的質(zhì)量有關(guān)，更主要是車速的變化影響，相同路況下車速越高，激勵頻率也就越大。

式中：V為最大車速，取30 km/h；λ為地面的不平度波長，一般的平坦公路取值為1～6.3 m，差等道路如碎石路面最小取 0.32m［4、5］，考慮到搶險(xiǎn)救援環(huán)境惡劣，取λ為0.32m。

這樣得到在輪履復(fù)合救援工程機(jī)械正常行駛的情況下的激振頻率在26 Hz以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于橋體的固有頻率，因此改進(jìn)后的車橋結(jié)構(gòu)在車輛正常行駛情況下不會發(fā)生過度振動和噪聲。

5 結(jié)束語

本文闡述了輪履復(fù)合式救援工程機(jī)械底盤車橋的結(jié)構(gòu)組成和使用工況，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。從結(jié)果來看，原始設(shè)計(jì)的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，不甚合理，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力減小，且小于材料的許用應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上對改進(jìn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)的固有頻率避開了外部的激振頻率。綜上本文對輪履復(fù)合式救援工程機(jī)械底盤中橋的設(shè)計(jì)提供了相關(guān)理論依據(jù)，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

［1］ 劉惟信.汽車車橋設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］ 高一平，王欣，高順德，等.200t履帶起重機(jī)履帶架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004（1）：71-72.

［3］ 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBT3811-2008）［S］.國家標(biāo)準(zhǔn)局，2008.

［4］ 李以農(nóng)，米林，楊城.踏板式摩托車振動實(shí)驗(yàn)分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，26(2)：90～93.

［5］ 吳迪清，盧炎麟.基于有限元的叉車車架模態(tài)分析及優(yōu)化［J］.輕工機(jī)械，2004，28(4)：53-57.