礦用自卸車牽引梁結構分析及改進設計

李繼偉 唐開林 唐春喜 李 滿 袁 強

(中鐵十一局漢江重工有限公司，湖北 襄陽 441000)

礦用自卸車牽引梁結構分析及改進設計

李繼偉 唐開林 唐春喜 李 滿 袁 強

(中鐵十一局漢江重工有限公司，湖北 襄陽 441000)

建立車架中部牽引梁2種方案(方案一：圓形截面結構牽引梁；方案二：正八邊形截面結構牽引梁)的三維模型和有限元模型，在邊界條件相同的情況下，選擇極限工況對2種方案進行強度和剛度的計算、分析、比較。其強度和剛度計算結果為：方案一最大應力為141.5 MPa，最大變形為 0.53 mm；方案二最大應力為 137.5 MPa，最大變形為0.503 mm；從計算結果上看，方案二的應力和變形均小于方案一，所以方案一為較優(yōu)方案。從制作工藝上對2種方案進行比較，方案一中牽引梁為大直徑圓形截面結構，需要用專用設備進行成型加工，制作工藝復雜；方案二中牽引梁為正八邊形截面結構，可有2塊鋼板分別折彎、對焊而成，制作工藝簡單，從工藝上可以得出方案二為較優(yōu)方案。比較得出，方案二正八邊形截面結構牽引梁的強度和剛度均能滿足要求，工藝性更好，為較優(yōu)方案。

牽引梁 強度 剛度 工藝性

礦用自卸車是在大型露天礦、水利工程和鋼廠等場地為完成巖石剝離、土方和礦石的運輸任務而設計的一種大型非公路自卸車。載重100 t以上的礦用自卸車多為電驅動自卸車，電動機安裝在后橋殼內，電動機的轉動帶動后輪的轉動，與地面產生的摩擦力通過后橋殼及三角架傳遞給中部牽引梁，再到整個車架，推動整車的前行。車架中部牽引梁是動力從后橋到整車的主要傳力件，其結構的強度和剛度直接影響車架及整車的使用壽命。所以，對車架中部牽引梁的結構進行計算和優(yōu)化是很有必要性的。

1 車架中部牽引梁有限元模型的建立

圖1、圖2是后橋與車架的結構布置圖，礦用自卸車的驅動力來自后輪，力的傳遞路線是后輪—后橋殼—后橋殼三角架—后橋殼推力架—車架中部牽引梁—車架。車架中部牽引梁在整車的工作中是受力和傳力的關鍵件，特別是在啟動或緊急剎車時的工況受力最大，其主要受到來自后橋的推力或拉力。所以，車架中部牽引梁的結構設計和制作加工至關重要。

圖1 后橋側視圖Fig.1 The structure of rear axle and frame side view

圖2 后橋俯視圖Fig.2 The structure of rear axle and frame side view

車架牽引梁為車架的一部分，本次研究主要是關注車架中部牽引梁的強度和剛度，主體板材采用進口低碳高強度調質鋼板，其實際結構及材料特性比較復雜，所以，在建立其有限元模型時對其結構和材料特性均進行簡化和假設。

結構方面[1]：①略去不關心部分的結構，只取牽引梁及牽引梁前后一小部分車架縱梁進行建模；②略去不重要區(qū)域的圓角；③略去后橋模型，來自后橋的推力簡化為作用在牽引梁耳板軸承孔上的集中力。

材料特性方面的假設：①不考慮焊接處材料特性的變化；②中部牽引梁及車架的材料為均質各項同性材料。

關于車架中部牽引梁的設計，常見的結構形式為大直徑圓形鋼管嵌套在2個耳板內，然后再焊接到車架上。由于大直徑高強鋼管采購困難、制作工藝復雜，所以，本研究提出了牽引梁的一種新型結構，即采用2塊等厚度的高強鋼板折彎、對焊拼接成截面為正八邊形結構的牽引梁。下面就2種結構形式進行力學建模、計算、分析、比較。

1.1 幾何模型的建立

首先應用三維建模軟件solidworks建立兩種方案的中部牽引梁及車架的幾何模型，簡化后的幾何模型見圖3(方案一：圓管形結構牽引梁)、圖4(方案二：正八邊截面結構牽引梁)。

圖3 方案一的三維圖Fig.3 The 3D model of the first project

圖4 方案二的三維圖Fig.4 The 3D model of the second project

1.2 網格的劃分

車架的左右縱梁結構為箱型結構，包括上下蓋板、左右腹板，其組成均為中厚型鋼板；牽引梁有2種形式：一是圓形鋼管，二是用鋼板折彎的正八邊形結構。2種形式均為中厚鋼板彎曲而成，耳板及筋板也均為中厚鋼板拼焊而成。根據(jù)其結構特點將車架縱梁及中部牽引梁簡化為殼單元為主的組合體，大部分采用四邊形單元，在形狀不規(guī)則由于車架中部牽引梁的結構組成均為中厚鋼板，所以在網格劃分時單元類型選用四邊形殼單元shell63，使用質點單元mass21來等效各作用力，在軸承座孔處選用Rb2剛性單元建立剛性區(qū)，以方便添加載荷。

將建立好的車架中部牽引梁的三維模型圖3、圖4轉化成iges格式導入到有限元分析軟件hyperworks中，進行抽取中位面、定義材料屬性、選擇單元類型、定義網格大小，最后對模型進行網格劃分，劃分完成的車架中部牽引梁模型見圖5(方案一)、圖6(方案二)，模型中共包含221 830個節(jié)點，223 297個單元。

1.3 邊界條件

礦用自卸車工作環(huán)境極其惡劣，其行駛過程中的工況也復雜多變。本次選取自卸車滿載時大功率啟動或緊急制動的工況進行研究，此工況下，中部牽引梁主要受到來自后橋的推力或拉力，2種方案的邊界條件一致。根據(jù)文獻[2]，載荷施加在中部牽引梁軸承孔上，動載荷取大功率啟動工況載荷的2.5倍，即動載荷系數(shù)取2.5。大小為F=1 625 000 N；約束施加在車架縱梁端面上，為全約束。施加約束和載荷后的模型如圖5，圖6所示。

圖5 方案一的有限元模型Fig.5 The finite element model of the first project

圖6 方案二的有限元模型Fig.6 The finite element model of the second project

2 典型工況下牽引梁有限元分析結果

將在hyperworks的ansys模板中建立的有限元模型導入到ansys中進行計算分析[3]，得出分析結果。在ansys后處理程序中對結果進行查看、分析、比較，其結果如下。

2.1 方案一有限元分析結果

方案一有限元分析結果如圖7，圖8所示。

圖7 方案一應力分布云圖Fig.7 The Stress distribution nephogram(scheme 1)

圖8 方案一位移分布云圖Fig.8 The Strain distribution nephogram(scheme 1)

從圖7可以看出，此工況下，最大應力達到141.5 MPa，其位置在牽引梁與車架腹板的連接處；在車架縱梁和牽引梁的連接處，以及耳板與牽引梁的連接處均出現(xiàn)應力較大的區(qū)域，但其應力值仍小于141 MPa。在牽引梁上應力分布較為均勻，從耳板到車架縱梁之間呈遞減趨勢。

從圖8可以看出，此工況下，牽引梁最大的變形出現(xiàn)在耳板上，最大位移為0.53 mm。

2.2 方案二有限元分析結果

方案二有限元分析結果如圖9，圖10所示。

圖9 方案二應力分布云圖Fig.9 The Stress distribution nephogram(scheme 2)

圖10 方案二位移分布云圖Fig.10 The Strain distribution nephogram(scheme 2)

從圖9可以看出，有2個區(qū)域應力較大，分別是車架縱梁與牽引梁連接處和耳板與牽引梁連接處，其最大應力為137.5 MPa。從整體看，牽引梁上應力分布較為均勻，從耳板到車架縱梁之間呈遞減趨勢。

從圖10可以看出，此工況下，牽引梁最大的變形出現(xiàn)在耳板上，最大位移為0.503 mm。

2.3 2種方案的比較

從圖7、圖9可以看出：2種方案中，牽引梁上從耳板到車架腹板之間應力成梯度遞減，分布比較均勻合理；從數(shù)值上看，方案一最大應力值為141.5 MPa，方案二的最大應力值為137.5 MPa，兩者均小于所用材料的屈服強度550 MPa，都能滿足車架的強度要求；但是與方案一相比，方案二的應力值更小。

從圖8、圖10上可以看出：方案一最大位移為0.53 mm，方案二最大位移為0.503 mm，略小于方案一；最大位移均出現(xiàn)在牽引梁耳板上。

從制作工藝上看：方案一的牽引梁為高強度大直徑圓管，工藝上不易實現(xiàn)；方案二的牽引梁為正八邊形截面結構，可以用2塊高強鋼板折彎、對焊而成，工藝上易于實現(xiàn)。

通過以上從強度、剛度和工藝性上的分析比較可以得出：方案二優(yōu)于方案一。

3 結 語

通過對自卸車車架中部牽引梁2種結構形式的建模分析表明：2種方案中結構的應力分布均勻合理，和所用材料相比，均具有很大的安全系數(shù)。但是，從應力和位移分析結果比較，方案二從強度和剛度上均具有更大的優(yōu)勢。本研究也從制作工藝上對2種方案進行了比較，最后得出車架中部牽引梁的較優(yōu)方案。本次研究優(yōu)化了自卸車車架中部牽引梁的結構，在保證強度和剛度略有提高的基礎上，降低了生產制作成本,為以后自卸車車架中部牽引梁的設計提供了理論依據(jù)。

[1] 張文明,楊耀東．非公路自卸汽車[J] ．技術設備，2003(6)：13-16. Zhang Wenming,Yang Yaodong.Off-highway dump truck[J].Technique and Equipment,2003(6)：13-16.

[2] Mike Woof,劉延安．礦用汽車運輸——關于大型礦用汽車的新發(fā)展[J]．礦用汽車，2004(3)：47-48． Mike Woof,Liu Yanan.The new development of mine truck transport—about the large-scale mine truck[J].Mine Truck,2004(3):47-48.

[3] 萬海如,唐新蓬,段家典.重型礦用電動輪自卸車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].汽車研究與開發(fā)，2001(2)：8-14. Wan Hairu,Tang Xinpeng,Duan Jiadian.The status and development trend of the heavy electric wheel dump truck[J].Automobile Research & Development，2001(2)：8-14.

[4] 王勖成，邵 敏.有限元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華大學出版社，1997:123-125. Wang Xucheng，Shao Min.The Basic Principles of Finite Element Method and Numerical Methods[M].Beijing：Tsinghua University Press，1997:123-125.

[5] 王 軍,馬若丁,王繼新，等.礦用自卸車車架強度有限元分析[J].工程機械,2008,39(11):29-32. Wang Jun，Ma Ruoding，Wang Jixin,et.al.Analysis of dump truck frame strength finite element of mine[J].Construction Machinery and Equipment，2008,39(11):29-32.

[6] 張朝暉.ANSYS11.0結構分析工程應用實例解析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008. Zhang Chaohui.Engineering Application Analysis of ANSYS11.0 Structure[M].Beijing:Machinery Industry Press,2008.

[7] 黃昶春,韋志林,沈光烈,等.雙后軸載重車車架鉚接加強板的結構分析和優(yōu)化設計[J].機械制造，2007，45(5)：28-31. Huang Changchun ，Wei Zhilin，Shen Guanglie，et al.Structural analysis and design optimization of plate reinforced double rear truck frame riveting[J].Machinery,2007,45(5)：28-31.

[8] 鐘佩思，辛紀光，劉鳳景，等.基于Hypermesh 的中型貨車車架有限元分析與優(yōu)化[J].煤礦機械，2009，30(4)：6-8. Zhong Peisi,Xin Jiguang,Liu Fengjing,et al.Finite Element analysis and optimization of medium truck frame based on hypermesh[J].Coal Mine Machinery.2009,30(4):6-8.

[9] David E Keyser．Hydraulic brake systems and components for off-highway vehicles and equipment[J].Fluid Power Association Technical Paper，1992,92：1-4．

[10] 沈煒良,邊立靜,伍建華.重型載貨汽車車架的結構分析及優(yōu)化設計[J].廣西大學學報:自然科學版，2007，32 (3)：248-251. Shen Weiliang,Bian Lijing，Wu Jianhua,et al.Structure analysis and optimization of a heavy truck frame[J].Journal of Guangxi University：Natural Science Edition，2007,32(3)：248-251.

(責任編輯 徐志宏)

Structure Analysis and Design Improvements on the Traction Beam of the Mining Dump Truck

Li Jiwei Tang Kailin Tang Chunxi Li Man Yuan Qiang

(ChinaRailwayElevenBureauGroupHanjiangHeavyIndustryCo.Ltd.，Xiangyang441000，China)

The three-dimensional models and the finite element models of the two schemes (Scheme 1: The structure circular section of the traction beam；Scheme 2: The octagon section structure of the traction beam)for traction beam on the central frame is established. Under the same boundary conditions，the strength and stiffness of both schemes in extreme conditions are calculated，analyzed and compared. The results are shown as follows: at scheme 1，the maximum stress is 141.5 MPa，and the maximum deformation is 0.53 mm;at scheme 2，the maximum stress is 137.5 MPa，and the maximum deformation is 0.503 mm. According to the calculated result，the stress and deformation at scheme 2 are lower than that at scheme 1. So the scheme 1 is the better. Through comparing these two schemes from their manufacturing process，it is shown that the traction beam is made of large-diameter circular cross section structure in scheme 1，and molded with special equipment and complex manufacturing process. The traction beam in scheme 2 is made of octagon shaped structure，and formed by two welding and bending steel plate with simple manufacturability. So，the scheme 2 is the better in the manufacturing process. The conclusion is that scheme 2 with octagon section frame of traction beam is optimal because its strength and stiffness can meet the requirements with a better manufacturing process.

Traction beam，Strength，Stiffness，Manufacturing process

2013-11-06

李繼偉(1981—)，男，工程師，碩士研究生。

P618.11，TE112

A

1001-1250(2014)-01-108-04