一種管片運(yùn)輸車雙層車架的計(jì)算方法

張建恒 婁瑞娟 卞亞峰

鄭州新大方重工科技有限公司 河南鄭州 450064

1 前言

隨著國內(nèi)地鐵、引水隧道、穿江隧道的項(xiàng)目越來越多，用于隧道盾構(gòu)施工運(yùn)輸作業(yè)的管片運(yùn)輸車需求量也大幅增加，各種類型、各種結(jié)構(gòu)形式的管片運(yùn)輸車不斷涌現(xiàn)。管片運(yùn)輸車雙層車架能夠充分合理分配每根車橋的最大允許負(fù)荷，減少車橋數(shù)量，提供更好的經(jīng)濟(jì)性；路面不平時(shí)，前、后副車架通過鉸軸相對主車架擺動(dòng)，增大附著力，獲得更好的驅(qū)動(dòng)效果。但其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自重較大，需要的安裝空間較單層車架大?，F(xiàn)以某型號管片運(yùn)輸車為例，介紹雙層車架的特點(diǎn)，并詳細(xì)描述雙層車架的計(jì)算方法。

2 雙層車架的計(jì)算

2.1 管片運(yùn)輸車的基本參數(shù)

某型號管片運(yùn)輸車有6根車橋，如圖1所示。車長16 m，車寬2.6 m，整車高度1.85 m，中部凹平面高度1.6 m，自重27 t，載重75 t，滿載質(zhì)量為102 t，適應(yīng)縱坡6%，橫坡2%，第一、二、五、六根車橋?yàn)檗D(zhuǎn)向橋，第三、四根車橋?yàn)轵?qū)動(dòng)橋，車架采用雙層車架，即上層為主車架、下層為前副車架和后副車架，主車架與前副車架、后副車架之間通過鉸軸連接。第一、二、三根車橋與前副車架連接；第四、五、六根車橋與后副車架連接。

第三、四根車橋（驅(qū)動(dòng)橋）之間的傳動(dòng)軸采用花鍵連接，能夠軸向移動(dòng)從而確保兩根驅(qū)動(dòng)橋能夠擺動(dòng)一定角度來適應(yīng)路面的坡度。

為了后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用3種計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，再通過樣車進(jìn)行產(chǎn)品空載、重載試驗(yàn)驗(yàn)證，最后將試驗(yàn)結(jié)果與三種計(jì)算方法進(jìn)行比對。

2.2 建模依據(jù)

主車架與前、后副車架通過前、后鉸軸連接。前、后副車架下部均連接3根車橋，前、后副車架計(jì)算時(shí)均可將車橋支承簡化為一個(gè)鉸支和2個(gè)支桿，其上部均安裝一組鉸座用以承受來自于主車架的載荷，計(jì)算時(shí)作為載荷的精確位置。

主車架計(jì)算時(shí)將鉸座固定，對主車架加載荷，即2個(gè)駕駛室自重及6根管片支座所受載荷。

圖1 某型管片運(yùn)輸車

計(jì)算車架應(yīng)力應(yīng)變需要使用結(jié)構(gòu)分析軟件，本例分別采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器SM Solver、有限元分析軟件ANSYS Workbench和三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks進(jìn)行建模計(jì)算分析，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對，并在樣車制造完成后通過試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，為以后的產(chǎn)品優(yōu)化積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2.3 計(jì)算結(jié)果

因前副車架（左邊、無發(fā)動(dòng)機(jī)一端）與后副車架（右邊、有發(fā)動(dòng)機(jī)一端）結(jié)構(gòu)簡單，受力點(diǎn)（鉸軸）靠近副車架中部，撓度變化小，因此只用一種方法（結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器SM Solver）計(jì)算。重點(diǎn)計(jì)算主車架的受力情況，主車架受力復(fù)雜，撓度變形大（駕駛室固定在主車架下部），影響汽車爬坡度。車架材料采用Q345C，材料許用應(yīng)力[σ]= 244 MPa。每個(gè)鉸軸受力37.5 t，前、后副車架截面參數(shù)如圖2所示，主車架截面參數(shù)如圖3所示。

圖2 前、后副車架截面幾何參數(shù)

圖3 主車架截面幾何參數(shù)

2.3.1 前副車架計(jì)算結(jié)果

采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器SM Solver計(jì)算前副車架，建立力學(xué)模型見圖4，其中1、2、3、4、5、6為結(jié)點(diǎn)，（1）、（2）、（3）、（4）、（5）為結(jié)點(diǎn)單元，剛性連接為一體，2、3、5為車橋支點(diǎn)，4為鉸軸點(diǎn)，加載37.5 t載荷。

圖4 前副車架力學(xué)模型

求得，σ前副車架=85.8 MPa，許用應(yīng)力[σ]=244 MPa。σ前副車架＜[σ]，前副車架的實(shí)際應(yīng)力值遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力值，滿足設(shè)計(jì)要求。前副車架鉸軸點(diǎn)4加載37.5 t載荷時(shí)位移計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 前副車架鉸軸4加載37.5 t載荷時(shí)位移計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出前，副車架最大變形量為1.2 mm，位于鉸座位置處。

2.3.2 后副車架計(jì)算結(jié)果

采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器SM Solver計(jì)算后副車架，建立力學(xué)模型見圖5，其中1、2、3、4、5、6為結(jié)點(diǎn)，（1）、（2）、（3）、（4）、（5）為結(jié)點(diǎn)單元，剛性連接為一體，2、3、5為車橋支點(diǎn)，4為鉸軸點(diǎn)，加載37.5 t載荷。

圖5 后副車架力學(xué)模型

求得，σ后副車架=122.5 MPa，許用應(yīng)力[σ]=244 MPa，σ后副車架＜[σ],后副車架的實(shí)際應(yīng)力值遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力值，滿足設(shè)計(jì)要求。后副

由表2可以看出，后副車架最大變形量為2.8 mm，位于鉸座位置處。

表2 后副車架鉸軸4加載37.5 t載荷時(shí)位移計(jì)算結(jié)果

2.3.3 主車架計(jì)算結(jié)果

2.3.3.1 采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器SM Solver計(jì)算主車架

建立力學(xué)模型如圖6所示，其中1、2、3…16、17、18為結(jié)點(diǎn)，（1）、（2）、（3）…（15）、（16）、（17）為結(jié)點(diǎn)單元，剛性連接為一體， 8、11為鉸軸支點(diǎn)，2、17為駕駛室自重各加1 t載荷，3、7為單層管片自重各加7.5 t載荷，9、10、12、13為雙層管片自重各加15 t載荷。

圖6 主車架力學(xué)模型

計(jì)算結(jié)果如下：σ主車架=144.5 MPa，[σ]=244 MPa，σ主車架＜[σ]，主車架的實(shí)際應(yīng)力值遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力值，滿足設(shè)計(jì)要求。主車架加載后的位移計(jì)算示意如圖7所示，主車架加載75 t載荷時(shí)的位移計(jì)算結(jié)果見表3。

圖7 主車架撓度示意圖

由表3可以看出最大變形量為51.6 mm（右端，含發(fā)動(dòng)機(jī)的一端），另一端為38.3 mm（左端，無發(fā)動(dòng)機(jī)的一端）。

2.3.3.2 采用ANSYS Workbench計(jì)算主車架

建立簡化模型，保證網(wǎng)格化能夠通過，前端的鉸座遠(yuǎn)程約束，僅能繞Z軸旋轉(zhuǎn)，其他5個(gè)自由度被約束。后端的鉸座遠(yuǎn)程約束，X方向能夠軸向移動(dòng)，能夠繞Z向旋轉(zhuǎn)，其他4個(gè)自由度被約束。計(jì)算結(jié)果如圖8、9所示。

由圖中可知，最大應(yīng)力為645.5 MPa，為局部應(yīng)力集中造成。后端最大變形量為52.2 mm，前端最大變形量為38.4 mm。

2.3.3.3 采用Solidworks計(jì)算主車架

對鉸座固定約束，對主車架相對位置施加相應(yīng)載荷。計(jì)算結(jié)果如圖10、11所示。

表3 主車架加載75t 載荷時(shí)位移計(jì)算結(jié)果

圖8 ANSYS Workbench擾度截圖

圖9 ANSYS Workbench應(yīng)力截圖

圖10 Solidworks計(jì)算的撓度截圖

圖11 Solidworks計(jì)算的應(yīng)力截圖

由圖中可知，最大應(yīng)力為359.9 MPa，為局部應(yīng)力集中造成。后端最大變形量為55.2 mm，前端最大變形量為37.3 mm。

3 樣車試驗(yàn)結(jié)果

樣車制造完畢后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：

a.空載情況下前端最高點(diǎn)距離地面為1880 mm，后端最高點(diǎn)距離地面為1875 mm；

b.重載情況下前端最高點(diǎn)距離地面為1775 mm，后端最高點(diǎn)距離地面為1755 mm;

c.重載情況下貼在主車架鉸軸附近的應(yīng)變片檢測出來的最大應(yīng)力值為155.4 MPa。

第一、二、五、六根轉(zhuǎn)向橋的鋼板板簧擾度為60 mm，空載情況下的變形量減去重載情況下的變形量再減去鋼板彈簧的擾度，之后再減去副車架的擾度，最終結(jié)果如下:

主車架左端（無發(fā)動(dòng)機(jī)端）擾度為1880-1775-60-1.2=43.8 mm主車架右端（有發(fā)動(dòng)機(jī)端）擾度為1875-1755-60-2.8 = 57.2 mm。

4 分析

將以上四種方式得到的結(jié)果進(jìn)行匯總并分析。

表4 四種方式結(jié)果匯總

經(jīng)過樣車試驗(yàn)驗(yàn)證，無論是采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器SM Solver、有限元分析軟件ANSYS Workbench還是三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks，其位移量（擾度）與實(shí)際產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)值相差都不大，都能滿足設(shè)計(jì)需要。

由于軟件自身的特點(diǎn)，相互之間的計(jì)算結(jié)果會(huì)有一些偏差。至于樣車的數(shù)值會(huì)偏大些，由以下原因造成：

a.設(shè)計(jì)時(shí)焊縫按照一級焊縫計(jì)算，實(shí)際操作時(shí)不可能全部都達(dá)標(biāo)；b. 鋼材板厚，實(shí)際購買回來的鋼板板厚與圖紙要求的板厚存在負(fù)偏差；c. 鉸軸孔與鉸軸安裝時(shí)存在一點(diǎn)間隙；d. 主車架、副車架裝配及加載時(shí)沒有消除塑性變形；e.計(jì)算時(shí)沒有考慮空載輪胎的變形量。

對于使用ANSYS Workbench和SolidWorks計(jì)算的最大應(yīng)力值應(yīng)該合理采納，局部應(yīng)力集中的部分進(jìn)行忽略即可，不然選取的截面參數(shù)會(huì)變得更大，浪費(fèi)材料。

因此建立模型時(shí)，可先用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器SM Solver計(jì)算截面參數(shù)，再用ANSYS Workbench或者SolidWorks等三維分析軟件建立三維模型進(jìn)行驗(yàn)證分析，這樣計(jì)算的數(shù)值接近時(shí)證明模型簡化及受力加載、自由度約束等是合理的，方能采納。否則證明模型有問題需要查找問題的原因，把設(shè)計(jì)隱患消除在建立模型階段，不至于對后續(xù)的細(xì)化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品制造帶來損失。