平貨臺半掛車縱梁的設(shè)計(jì)探析

袁宇圣 袁光濤文

平貨臺半掛車縱梁的設(shè)計(jì)探析

袁宇圣 袁光濤文

A Brief Analysis of Design of the Girder for Semitrailers

The design of girder for semitrailers is not quite important to the quality and capability of the semitrailer, but also has direct impact on the length of service life of it. This article provided a study and analysis of the best and optimized design method of girder for semitrailers for references of industrial professionals and technician.

隨著我國高速公路的快速發(fā)展，公路運(yùn)輸成為貨物運(yùn)輸?shù)囊环N重要方式。公路運(yùn)輸具有鐵路、水路等運(yùn)輸方式不可比擬的優(yōu)越性，既可以實(shí)現(xiàn)門到門的直達(dá)運(yùn)輸，又可以實(shí)現(xiàn)甩掛運(yùn)輸、提高車輛的周轉(zhuǎn)率，還可以與水路、鐵路等運(yùn)輸方式組成多式聯(lián)運(yùn)。因而半掛汽車列車運(yùn)輸方式已相當(dāng)普及并逐漸成為主要的貨物運(yùn)輸方式。

新版GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》的實(shí)施，對物流類半掛車生產(chǎn)商來說是一個(gè)巨大商機(jī)，此后2年半掛車市場需求會有一個(gè)持續(xù)的增長期?？v梁作為半掛車的關(guān)鍵部件，其剛性和強(qiáng)度以及自質(zhì)量，不僅影響到半掛車的性能、整備質(zhì)量，而且對半掛車的使用壽命也會帶來直接影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平貨臺半掛車占到半掛車總產(chǎn)量的70%以上，因此，本文著重從半掛車縱梁的材料、截面形狀、強(qiáng)度和剛度要求、輕量化設(shè)計(jì)、半掛車縱梁的加強(qiáng)方式、拼接方式等方面來分析平貨臺半掛車縱梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法(以下敘述均指平貨臺半掛車縱梁)，以供業(yè)內(nèi)人士作為設(shè)計(jì)參考。

表1 半掛車縱梁材料的性能

1 半掛車縱梁的材料

目前半掛車縱梁主要選用420L、510L、610L、700L等材料制作，各種材料的性能指標(biāo)對比如表1所示。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮半掛車的工作環(huán)境、最大滿載質(zhì)量、運(yùn)輸?shù)呢浳锓N類、縱梁的截面模量、制造成本、自質(zhì)量、焊接性能、制造工藝等因素，通過綜合分析來選擇縱梁的材料。

2 半掛車縱梁的截面形狀

半掛車縱梁的截面形狀一般為槽形(圖1)、Z字形(圖2)、工字形(圖3)或箱形(圖4)。工字形縱梁主要用于在一個(gè)主平面內(nèi)承受彎矩作用；箱形縱梁則用于在2個(gè)主平面內(nèi)承受彎矩作用及有軸向力作用，且還具有較好抗扭曲能力。采用何種截面應(yīng)以縱梁安全強(qiáng)度計(jì)算為依據(jù)。設(shè)計(jì)成功的縱梁應(yīng)是在滿足一定裝載質(zhì)量的前提下，自身重量達(dá)到最輕?？v梁的截面參數(shù)(寬度、高度、厚度等)也應(yīng)慎重予以選擇，以槽形截面為例，研究給出縱梁的最佳高寬比為2.5～4.0；以工字形截面為例，縱梁的最佳高寬比為2.7 ～4.2。為降低整車自質(zhì)量，在滿足承載要求的前提下，輕量化半掛車的縱梁可優(yōu)先考慮選用槽形和Z字形截面。

圖1 縱梁截面為槽形

圖2 縱梁截面為Z字形

圖3 縱梁截面工字形

圖4 縱梁截面為箱形

3 縱梁的強(qiáng)度和剛度

在半掛車運(yùn)行中，車架受力情況很復(fù)雜，計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)對不同的運(yùn)行工況(彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動、急速轉(zhuǎn)彎及彎扭組合)及不同的載荷放置工況(均載、中前部加載、中部加載、中后部加載)給予考慮，通過有限元方法分析各個(gè)情況下車架的最大應(yīng)力和最大變形情況，以確定車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否滿足要求，從而進(jìn)一步對縱梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

半掛車車架的材料多為低碳鋼和合金鋼，結(jié)構(gòu)的破壞形式一般為塑性屈服，因而在強(qiáng)度分析中多采用第四強(qiáng)度理論來評價(jià)。計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)使縱梁的強(qiáng)度和剛度達(dá)到一定的數(shù)值，保證半掛車車架安全系數(shù)達(dá)到3～5。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)用戶的使用條件及貨物類型來確定車架的安全系數(shù)，如運(yùn)輸煤炭等勻質(zhì)貨物或路面較平坦時(shí)，安全系數(shù)取小些，運(yùn)輸卷板等載荷較集中或路況較差時(shí)，安全系數(shù)應(yīng)取大些。

4 輕量化設(shè)計(jì)

隨著治超力度不斷加大、限重政策出臺以及對商用車燃油消耗值的限制，專用車輛經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)受到廣泛關(guān)注。隨著國家大力發(fā)展低炭經(jīng)濟(jì)、開展節(jié)能減排2大戰(zhàn)略性工程的實(shí)施，我國專用汽車輕量化已經(jīng)成為必然趨勢，車輛輕量化的理念開始深入人心。作為半掛車制造廠家，既要盡量降低車輛自質(zhì)量，又要保證車輛的運(yùn)行安全。這是眾多半掛車制造廠一直致力解決的問題。

由于縱梁是半掛車車架中最大的一個(gè)部件，在半掛車整備質(zhì)量中占很大比重，因此通過對縱梁的輕量化設(shè)計(jì)來降低整車自質(zhì)量具有重大意義。下面介紹幾種常用的縱梁輕量化設(shè)計(jì)方法：

4.1 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

充分挖掘材料潛力也可以節(jié)省材料，例如，把工字鋼的腹板按鋸齒狀切開(圖5)，然后再按圖6的結(jié)構(gòu)形式焊接成為鋸齒合成梁，在自質(zhì)量不變的情況下剛性可以提高幾倍。這種梁適用于跨距較大，而載荷不高的情況。

為減輕自質(zhì)量，也可以在腹板上沖孔(如圖7所示)，但沖孔前一定要通過設(shè)計(jì)計(jì)算或有限元受力分析，確?？v梁承載運(yùn)營的安全性。若根據(jù)等強(qiáng)度原理，將縱梁中部形狀改為魚腹?fàn)?圖8)或?qū)⒖v梁的尾部改為斜收起狀(圖9)，均可減輕縱梁的自質(zhì)量。

4.2 縱梁截面的優(yōu)化

常規(guī)設(shè)計(jì)中，半掛車工字形縱梁的上下翼板通常為等厚、等寬，但可以將上翼板設(shè)計(jì)得薄些、窄些，下翼板做得厚些、寬些的結(jié)構(gòu)，這有助于減輕整備質(zhì)量。由于上、下翼板的應(yīng)力變化不是對稱和有規(guī)則的，當(dāng)上翼面出現(xiàn)屈服損壞時(shí)，下翼面也必然由于工況惡化而失效，所以上、下翼面的厚度不應(yīng)相差過大，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)上下翼板的厚度來確定，一般上下相差以1～4 mm為宜。表2為幾種工字形縱梁截面模量和每米重量的對比。

圖5 腹板按鋸齒狀切開

圖6 鋸齒合成梁

圖7 腹板上的沖孔

圖8 縱梁中部形狀為魚腹?fàn)?/p>

圖9 縱梁的尾部為斜收起狀

表2 半掛車縱梁截面模量和每米重量對比

圖10 鋁合金工字梁

圖11 全鋁合金倉柵式半掛車

從表2可以看出，通過合理調(diào)整縱梁的高度以及各件的厚度或?qū)挾龋梢垣@得理想的半掛車縱梁截面模量。

4.3 新型材料的利用

近年來，隨著新材料的不斷開發(fā)利用，鋁合金、鎂合金、碳纖維、塑料、高強(qiáng)度細(xì)粒鋼等材料逐漸被半掛車廠家利用。目前，用于半掛車縱梁材料的鋁合金主要有6061、6082、7005等高強(qiáng)度鋁合金。我國近些年鋁合金在半掛車上的使用也呈逐年遞增的趨勢，并有專業(yè)配套廠家為半掛車廠家生產(chǎn)鋁合金工字梁(圖10)，圖11為國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的13 m全鋁合金倉柵式半掛車，自質(zhì)量為4.5 t，相比現(xiàn)有鋼制車輛可減重1 t以上。事實(shí)證明，半掛車縱梁利用新型材料確實(shí)取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5 半掛車縱梁的加強(qiáng)方式

在半掛車縱梁應(yīng)力集中的地方及變截面處常需加縱梁加強(qiáng)板。對工字形縱梁截面，加強(qiáng)的方式一般有3種：加強(qiáng)腹板(圖12)、加強(qiáng)下翼板(圖13)、腹板和下翼板同時(shí)加強(qiáng)(圖14)。設(shè)計(jì)時(shí)具體采取何種加強(qiáng)方式，應(yīng)以受力計(jì)算為依據(jù)。通常情況下應(yīng)首選加強(qiáng)下翼板，在加強(qiáng)下翼板還達(dá)不到要求時(shí)，再加強(qiáng)腹板。在對縱梁有扭轉(zhuǎn)剛度要求時(shí)，可選用加強(qiáng)腹板的方式。由于單純加強(qiáng)腹板的方式對提度縱梁強(qiáng)度的效果相對不明顯以及加工工藝的復(fù)雜性，所以一般很少采用。對槽形縱梁截面，加強(qiáng)方式一般為加強(qiáng)下翼板(圖15)。

6 上下翼板及腹板的拼接要求

由于材料長度的原因，半掛車縱梁通常需拼接。以工字形半掛車為例：縱梁由上、下翼板和中間腹板組焊而成，當(dāng)上、下翼板或腹板單塊長度不足時(shí)，需要2 至3塊拼接而成，此時(shí)，無論翼板還是腹板都存在對接焊縫。按半掛車制作要求，首先，拼接位置嚴(yán)禁布置在最大彎距和變截面處；其次，所有縱梁(左、右縱梁)的4塊上下翼板和2塊腹板的連接焊縫必須錯開布置，焊縫兩兩至少相距200 mm。這樣，在車輛承載重物時(shí)縱梁的受力面平均分布，可有效分擔(dān)縱梁接口的壓力，避免在半掛車重載時(shí)，縱梁在拼接處發(fā)生斷裂。對于其他截面形狀的半掛車，拼接要求同上。通常上、下翼板的厚度≥10 mm時(shí)，焊接前一定要開“V”或“U”形全坡口，按照焊接規(guī)范進(jìn)行焊接，杜絕焊接缺陷的存在。

7 結(jié)束語

平貨臺半掛車的縱梁是車架的重要組成部分，若設(shè)計(jì)合理，既能夠提高載質(zhì)量利用系數(shù)、降低油耗，又能延長半掛車的使用壽命，還能減少企業(yè)售后三包的維修費(fèi)用和用戶的誤工損失。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，在了解清楚用戶的載荷量和作業(yè)環(huán)境的前提下，按照上述設(shè)計(jì)原則綜合考慮，所設(shè)計(jì)的半掛車的縱梁就能夠滿足半掛車的使用要求。T

圖12 加強(qiáng)腹板

圖13 加強(qiáng)下翼板

圖14 腹板和下翼板同時(shí)加強(qiáng)

圖15 槽形縱梁加強(qiáng)下翼板