某鉸接式自卸車驅(qū)動(dòng)橋殼垂直彎曲C A E分析與實(shí)驗(yàn)

秦紅義，王道明，喬奎普，王 周

（徐州徐工礦業(yè)機(jī)械有限公司，江蘇 徐州221000）

0 引言

鉸接式自卸車是一種適用于道路崎嶇、泥濘等惡劣工況的非公路土方運(yùn)輸設(shè)備，一般為六輪實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，越野性能強(qiáng)、安全性高?；诖?，鉸接式自卸車對(duì)車橋的可靠性要求極高。國(guó)內(nèi)鉸接式自卸車技術(shù)幾乎處于空白階段，關(guān)鍵配套件如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和車橋等均采用進(jìn)口，價(jià)格昂貴。為降低整車成本，公司嘗試對(duì)車橋進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)，但國(guó)內(nèi)沒(méi)有比較成熟的鉸接式自卸車車橋設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法。公司自主開(kāi)發(fā)了單橋承載25 t的鉸接式自卸車專用驅(qū)動(dòng)橋，具有大速比、大扭矩、濕盤制動(dòng)、差速鎖等要求，滿足鉸接式自卸車適用需求。

橋殼是最關(guān)鍵的承載構(gòu)件，且連接主減、輪邊和半軸，強(qiáng)度和剛度要求高。本文對(duì)所設(shè)計(jì)的25 t鉸接式自卸車專用橋殼進(jìn)行了垂直彎曲CAE分析和模態(tài)分析，并進(jìn)行了橋殼垂直彎曲剛度和疲勞壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。

1 鉸接式自卸車驅(qū)動(dòng)橋和懸架連接結(jié)構(gòu)

鉸接式自卸車中后橋通過(guò)平衡梁、A型架和橫拉桿與車架連接，平衡梁兩端通過(guò)橡膠減震彈簧與車橋連接，平衡梁旋轉(zhuǎn)軸與車架抗扭管連接，如圖1所示。車輛重力首先傳遞給平衡梁，然后平均分配給兩根車橋。

圖1 鉸接式自卸車懸架和車橋結(jié)構(gòu)

2 橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化和C A E分析

為提高CAE分析的準(zhǔn)確性和效率，對(duì)所設(shè)計(jì)的橋殼的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后橋殼如圖2所示，該橋殼為一體鑄造式結(jié)構(gòu)，材料選用ZG40Cr，材料屬性如表1所示。

圖2 橋殼簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

表1 材料性能表

2.1 橋殼的垂直彎曲剛度和強(qiáng)度分析

將橋殼受力簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，在兩端半軸套管位置按照輪距施加約束，約束徑向移動(dòng)，軸向移動(dòng)自由，橡膠彈簧安裝座位置施加垂直方向的力，所施加的力取3倍的單橋最大承載力2。

仿真結(jié)果顯示，3倍軸荷下橋殼的最大應(yīng)力為204 MPa，位于半軸套管變徑位置；垂直方向最大變形量為0.78 mm。滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 應(yīng)力圖

2.2 橋殼模態(tài)分析

鉸接式自卸車為非公路車輛，行駛速度較慢，一般不超過(guò)60 km/h，因路面不平產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊頻率較小，多集中在0～50 Hz范圍內(nèi)。車橋設(shè)計(jì)時(shí)，為避免共振，橋殼的固有頻率要避開(kāi)這個(gè)頻率范圍。對(duì)所設(shè)計(jì)的橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，前3階的振型分析結(jié)果如圖5～7所示，各階振型對(duì)應(yīng)的頻率和位移如表2所示。

圖5 1階振型應(yīng)變圖

圖6 2階振型應(yīng)變圖

圖7 3階振型應(yīng)變圖

表2 各階頻率和應(yīng)變值

1階振型表現(xiàn)為前后方向的彎曲變形，2階振型表現(xiàn)為上下方向的彎曲變形，3階振型表現(xiàn)為復(fù)合的扭曲變形。從分析結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)橋殼的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地面激振頻率，不會(huì)產(chǎn)生共振。

3 橋殼的臺(tái)架試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)和CAE分析方法的可行性，采用橋殼疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)（圖8所示）對(duì)橋殼進(jìn)行垂直彎曲剛度測(cè)試和壽命試驗(yàn)。由于橋殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)較高，且為降低試驗(yàn)成本，未進(jìn)行橋殼強(qiáng)度試驗(yàn)，橋殼強(qiáng)度可通過(guò)車載強(qiáng)化試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖8 橋殼疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)

3.1 橋殼垂直彎曲剛度試驗(yàn)

CAE分析結(jié)果顯示，在主減包的左右兩側(cè)變形最大，按照如圖9所示的箭頭所指位置點(diǎn)，作為變形測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)3倍的單橋最大承載進(jìn)行加載，力施加在橡膠彈簧安裝座位置，從0開(kāi)始緩慢加載。通過(guò)百分表測(cè)量指定位置的變形量。3次試驗(yàn)結(jié)果顯示，最大變形位置與仿真分析結(jié)果一致，最大變形量為0.81 mm，與CAE分析結(jié)果基本一致，滿足使用要求。

圖9 變形測(cè)試點(diǎn)

3.2 橋殼垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)

因現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)無(wú)法滿足3倍的該橋最大承載的脈沖加載要求，采用最大2.5倍的承載力進(jìn)行加載。共進(jìn)行2件橋殼的壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)值分別為1 342 806和1452 871次，一般礦用車橋壽命要求不低于80萬(wàn)次，滿足使用要求。

4 車橋的車載強(qiáng)化試驗(yàn)

所開(kāi)發(fā)車橋已應(yīng)用在公司自主開(kāi)發(fā)的某噸位鉸接式自卸車上，整車在礦區(qū)連續(xù)施工運(yùn)行超過(guò)3年，為出現(xiàn)橋殼故障。圖10為所開(kāi)發(fā)鉸接式自卸車在印尼某礦區(qū)施工實(shí)況。

圖10 車載強(qiáng)化試驗(yàn)

5 結(jié)論

對(duì)所開(kāi)發(fā)的鉸接式自卸車車橋橋殼進(jìn)行了垂直彎曲剛度和強(qiáng)度的CAE分析，并進(jìn)行了模態(tài)分析，仿真結(jié)果顯示，所開(kāi)發(fā)的橋殼滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)所開(kāi)發(fā)的橋殼進(jìn)行了垂直彎曲剛度試驗(yàn)和疲勞壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，均滿足使用要求。

所開(kāi)發(fā)的車橋進(jìn)行了超過(guò)3年的車載強(qiáng)化試驗(yàn)，未出現(xiàn)橋殼開(kāi)裂、變形等故障。

通過(guò)以上試驗(yàn)驗(yàn)證，證明所采用仿真分析方法的可行性，可以作為鉸接式自卸車橋殼開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)依據(jù)，提高設(shè)計(jì)可靠性，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。