裝載機(jī)中梁架新結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用

區(qū)思榜，黎華敏，張斐朗

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西柳州545007）

0 引言

輪式裝載機(jī)是一種被人們廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、港口、煤炭、礦山、水利、國防等工程和城市建設(shè)的機(jī)器，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)中發(fā)揮重要作用。裝載機(jī)中梁架是裝載機(jī)的主要承重部件，被作為核心部件傳遞車輪與車身之間的力和力矩，其可靠性和壽命，直接關(guān)系到裝載機(jī)整機(jī)的安全、質(zhì)量、性能和作業(yè)能力。

本文主要研究輪式裝載機(jī)的中梁架，創(chuàng)新性地改變原中梁架的懸梁結(jié)構(gòu)，把作用在懸梁板的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部的壓應(yīng)力，利用板材許用受壓應(yīng)力遠(yuǎn)高于許用受拉應(yīng)力的特點(diǎn)，增大縱向抗變形能力，提高整車承載能力和穩(wěn)定性，提高裝載機(jī)整體的強(qiáng)度、可靠性和壽命，降低用戶的使用成本，給企業(yè)和用戶創(chuàng)造價(jià)值。

本文采用CAE分析的方法，對比兩種結(jié)構(gòu)中梁架在相同邊界條件情況下的應(yīng)力水平，外八字中梁架應(yīng)力大幅降低，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)健，壽命更加長，更加有實(shí)用意義。

1 中梁架的特點(diǎn)

輪式裝載機(jī)中梁架位置及結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。一方面，裝載機(jī)需要具備很強(qiáng)的通過障礙的能力，這決定了驅(qū)動橋要能擺動，在擺動限位時(shí)，中梁架要承受很大的沖擊動載荷；另一方面，整機(jī)頻繁前進(jìn)、鏟料、停止及后退循環(huán)，要求中梁架具有前后換向受力時(shí)的抗沖擊能力足夠強(qiáng)[1,2]。傳統(tǒng)中梁架是直接切割板材后拼焊而成，存在如下不足：

（1）中梁架上的懸梁板受較大的拉應(yīng)力作用。

（2）中梁架受交變作用力，結(jié)構(gòu)易疲勞破壞。

（3）結(jié)構(gòu)應(yīng)力突變，應(yīng)力分布不勻，易引起應(yīng)力集中。

（4）厚板材能增強(qiáng)抗破壞能力，但結(jié)構(gòu)笨重。

圖1 中梁架在輪式裝載機(jī)中的位置

圖2 中梁架與后車架鉸接的結(jié)構(gòu)

如圖3所示調(diào)整墊，在副車架相對中梁架轉(zhuǎn)動時(shí)，起到傳遞沖擊和作為減磨材料的作用。在裝配時(shí)，副車架與中梁架懸梁板間隙分別為δ1、δ2，用一組調(diào)整墊調(diào)好后，整機(jī)前后往復(fù)運(yùn)動的沖擊力同時(shí)作用在中梁架兩塊懸梁板上，受力情況較好。在較長時(shí)間工作后，客戶沒有及時(shí)保養(yǎng)和更換，調(diào)整墊被磨損超過極限，如圖4.此時(shí)副車架將會只與中梁架其中一塊懸梁板單獨(dú)接觸，整機(jī)牽引力或制動力變成由單塊懸梁板承受，且受拉應(yīng)力。此為中梁架最為惡劣的工況，在設(shè)計(jì)計(jì)算中著重關(guān)注。

圖3 調(diào)整墊的安裝位置

圖4 現(xiàn)場實(shí)測裝配后的間隙

運(yùn)用有限元分析法，在中梁架上施加與實(shí)際工況近似的沖擊力（計(jì)算時(shí)施加的力=牽引力X動載系數(shù)），得出應(yīng)力圖如圖5所示，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在懸梁板分中面上板材邊緣附近，從而確定調(diào)整墊磨損失效后的危險(xiǎn)截面。周期性循環(huán)受力作用下，該懸梁板危險(xiǎn)截面更易疲勞損壞。

圖5 應(yīng)力云圖（單位：MPa）

2 改進(jìn)方案

2.1 使用耐磨調(diào)整墊

為防止調(diào)整墊失效，需要增加耐磨性解決其易被磨損的問題。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[3]，銅合金的使用壽命較高，可以達(dá)到要求，因而首選該材料做調(diào)整墊。同時(shí)，根據(jù)中梁架的特點(diǎn)，中梁架與副車架的相對運(yùn)動不可避免，即該結(jié)構(gòu)調(diào)整墊本身齊備有減磨作用和耐磨作用，受限于這一對矛盾體，調(diào)整墊的設(shè)計(jì)壽命提升空間受限，所以還需要尋求其他方案。

2.2 在中梁板上貼焊貼板

為加強(qiáng)懸梁板的承力能力，直接的方案是增大受力截面面積，本案采用局部加焊貼板增強(qiáng)原高應(yīng)力區(qū)截面的方案，然后，用有限元方法進(jìn)行分析，如圖6所示，相比較單板結(jié)構(gòu)，應(yīng)力有效分布到其他區(qū)域，達(dá)到等強(qiáng)度設(shè)計(jì)效果。此方案通過加大受力截面面積的方法來提高承載能力，有一定的改善效果，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，貼板上焊縫如果處理不好，反而會削弱此處強(qiáng)度。

圖6 貼焊貼板后應(yīng)力分布（單位：MPa）

給懸梁板建立一個(gè)簡單的力學(xué)模型，并畫出其彎矩圖，如圖7所示為簡單超靜定梁結(jié)構(gòu)，懸梁板分中面和根部受很大彎矩作用。如果改為如圖8的結(jié)構(gòu)，懸梁板所受最大彎矩由PL/8下降至PL/16，彎矩下降100%，懸梁板受力得到極大改善。

圖7 懸梁板力學(xué)模型

圖8 懸梁板力學(xué)模型

3 外八字中梁架

如前文有限元分析顯示，傳統(tǒng)中梁架存在薄弱截面而開裂失效，開裂處受拉應(yīng)力。如圖8結(jié)構(gòu)，懸梁板折彎，懸梁板能把豎直向下的縱向力，通過彎板本身內(nèi)力轉(zhuǎn)化為橫向力，最后作用到根部上，充分發(fā)揮板材抗壓性能好的特點(diǎn)，并且避免板材受彎矩，承受壓應(yīng)力能力遠(yuǎn)大于受拉應(yīng)力能力的特點(diǎn)得到充分利用，將大大提高中梁架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用壽命。經(jīng)研究分析，提出一種中梁架結(jié)構(gòu)，如圖9，圖10所示，因形狀類似中文“八”，且為配對對頂向外布置，所以叫外八字中梁架。

圖9 外八字中梁架結(jié)構(gòu)

圖10 外八字中梁架裝配到后車架上

外八字中梁架包括左右兩側(cè)的左聯(lián)接板和右聯(lián)接板，在這兩塊板間連接至少兩組拱形懸梁板，拱形結(jié)構(gòu)的懸梁板能把向前、向后的作用力都轉(zhuǎn)變?yōu)楦魇芰卧獌?nèi)部的壓應(yīng)力，無論裝載機(jī)處在前進(jìn)、停止、后退等工況，都至少有一組拱形懸梁板承受從橋傳來驅(qū)動力或制動力，使中梁架承力能力提高，穩(wěn)定性提高[4]。相比同等厚度的平直懸梁板，外八字中梁架懸梁板開裂損壞的概率降低。

采用CAE分析的方法，對比老結(jié)構(gòu)形式的中梁架與外八字中梁架在相同邊界條件情況下的應(yīng)力水平，如表1、圖11所示。

表1 應(yīng)力分布對比

圖11 外八字中梁架應(yīng)力云圖（單位：MPa）

綜合上述各方案，取懸梁板分中截面上應(yīng)力值最大的同一個(gè)位置進(jìn)行對比，該點(diǎn)外八字中梁架應(yīng)力值相較于傳統(tǒng)中梁架下降幅度為30%，改進(jìn)方案效果明顯。

4 結(jié)論

外八字結(jié)構(gòu)中梁架采用轉(zhuǎn)化原則，懸梁板做成拱形，并配對對頂布置，把板材受的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為板材內(nèi)部的壓應(yīng)力，利用板材抗壓能力遠(yuǎn)比抗拉能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使得中梁架結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，使用壽命更高。

裝載機(jī)應(yīng)用外八字結(jié)構(gòu)中梁架已經(jīng)過8000多小時(shí)驗(yàn)證，到目前為止沒有接到外反饋，證明新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全可靠。