某自卸車車廂鎖鉤機(jī)構(gòu)故障分析與改進(jìn)設(shè)計

楊珍 余偉 王以文

摘 要：通過市場反饋對自卸車車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)進(jìn)行故障初步判斷，確定了車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)在實際工作中的使用工況，利用有限元分析軟件Hyper Mesh 2017對其進(jìn)行前處理網(wǎng)格劃分和邊界條件的施加，并采用軟件自帶求解器OptiStruct對車廂鎖鉤機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析求解，計算常規(guī)工況與極限工況下車廂鎖鉤機(jī)構(gòu)的最大位移和應(yīng)力分布。通過結(jié)果分析，最終確定了故障的真實原因，并對改進(jìn)后的方案進(jìn)行仿真分析，驗證了改進(jìn)方案的合理性。研究結(jié)果顯示： 車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)故障的主要原因是用戶在車輛滿載時沒有按要求對車廂后板邊鎖鉤進(jìn)行鎖止導(dǎo)致，由于此類現(xiàn)象比較常見，為了從根源上解決此問題，車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)在強(qiáng)度校核時加入了極限工況。市場驗證表明，此方法對解決用戶因操作不規(guī)范導(dǎo)致的故障問題切實有效。

關(guān)鍵詞：有限元分析 車廂鎖鉤機(jī)構(gòu) 極限工況 自由度 最大位移 應(yīng)力分布

1 前言

自卸車車廂后板與底板和邊板通過鎖鉤進(jìn)行固定連接，該鎖鉤機(jī)構(gòu)即保證了車輛在滿載正常行駛時車廂整體的連接緊固性，同時又實現(xiàn)了車廂后板在舉升過程中能順利打開方便卸貨的作用。

針對某自卸車車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)在使用過程中鎖鉤連接板出現(xiàn)較大塑性變形，導(dǎo)致車輛滿載時車廂后板與底板之間間隙過大，造成貨物泄漏，根據(jù)市場故障反饋，用戶在使用過程時常出現(xiàn)車廂滿載時邊鎖鉤沒有手動鎖止現(xiàn)象，為了排查故障原因是因為邊鎖鉤沒有手動鎖止造成還是鎖鉤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計不足導(dǎo)致，現(xiàn)對車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬分析，通過對常規(guī)工況和極限工況下車廂鎖鉤機(jī)構(gòu)的位移變化和應(yīng)力分布進(jìn)行分析比較，確定故障產(chǎn)生的主要原因，并通過合理的設(shè)計改進(jìn)消除故障。

2 車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)有限元模型

某自卸車車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)有限元模型，模型主要包含：左側(cè)邊板局部、右側(cè)邊板局部、底板局部、后板總成、鎖鉤、手動邊鎖鉤、鎖鏈等。貨箱整體內(nèi)部尺寸6200×2300×1500mm，鎖鉤材料為20Mn，鎖鉤連接板及貨箱內(nèi)測板材料為610L，其他材料為Q235B。

對于薄板類零件采用尺寸為10mm的殼單元進(jìn)行離散，非薄板類零件優(yōu)先采用六面體網(wǎng)格離散，離散較困難的，非關(guān)注件采用一階四面體網(wǎng)格劃分，重點關(guān)注件采用二階四面體網(wǎng)格劃分。鎖鏈采用beam單元模擬，與鎖鉤轉(zhuǎn)軸連接處釋放Y向轉(zhuǎn)動自由度，車廂后板上端翻轉(zhuǎn)支座轉(zhuǎn)軸處釋放Y向轉(zhuǎn)動自由度，各零件之間的焊接關(guān)系按照實際要求采用rbe3+penta+rbe3單元模擬，鎖鉤與后板下邊框采用GAP單元模擬接觸關(guān)系。模型單元總數(shù)為301578，其中三角形單元數(shù)量為362，占總單元數(shù)的0.12%。

3 車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 工況定義

在自卸車車廂鎖鉤機(jī)構(gòu)設(shè)計時， 需要考慮鎖鉤機(jī)構(gòu)在極限工況下的位移量和強(qiáng)度， 要保證車廂鎖鉤機(jī)構(gòu)在使用過程中不能發(fā)生永久變形并且總變形不宜過大。為排查自卸車車廂鎖鉤連接板故障原因，需要進(jìn)行以下工況分析：

工況1（常規(guī)工況）：自卸車在坡度為16.7°的路面上滿載35噸行駛，車廂后板邊鎖鉤處于鎖止?fàn)顟B(tài)。約束貨箱端部截面處123456自由度和鎖鏈端部123自由度。

工況2（極限工況）：自卸車在坡度為16.7°的路面上滿載35噸行駛，車廂后板邊鎖鉤處于打開狀態(tài)。約束貨箱端部截面處123456自由度和鎖鏈端部123自由度。

對于工況1和工況2中的車廂載荷，利用受力平衡分析進(jìn)行提取。將貨物簡化為一個均質(zhì)長方塊，放置在16.7°的斜坡上（此角度為故障車常出現(xiàn)的工作最大坡度），假設(shè)貨物與底板之間無摩擦力，進(jìn)行如下受力分析，求出貨物對后板的作用力Fn2和貨物對底板的作用力Fn1，再轉(zhuǎn)化為貨物對貨箱內(nèi)板的壓強(qiáng)作為施加載荷。

3.2 結(jié)果分析

工況1（常規(guī)工況）的計算結(jié)果如圖1所示，邊鎖鉤鎖止的情況下，應(yīng)力集中在鎖鉤與連接板處，最大等效應(yīng)力為385.9MPa，鎖鉤最大位移為8.6mm。

工況2（極限工況）的計算結(jié)果如圖2所示，該工況載荷加載方式和工況1相同，不同之處在于邊鎖鉤處于打開狀態(tài)。應(yīng)力集中在鎖鉤與連接板處，最大等效應(yīng)力為672.9MPa，鎖鉤最大位移為14.8mm。

兩種工況下車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)的受力和變形趨勢詳見表1，可以更加直觀對兩種工況受力趨勢做詳細(xì)的對比分析。

由上述分析結(jié)果可知，工況1下鎖鉤連接板的最大應(yīng)力小于其材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)1.29，滿足強(qiáng)度要求，不會發(fā)生塑性變形;工況2下鎖鉤連接板的最大應(yīng)力明顯超過其材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)只有0.74，不滿足強(qiáng)度要求，會發(fā)生塑性變形，且工況2鎖鉤最大位移明顯大于工況1，由此可見車廂鎖鉤連接板出現(xiàn)較大塑性變形的主要原因很是由于車廂滿載時邊鎖鉤沒有鎖止導(dǎo)致中間鎖鉤機(jī)構(gòu)受力偏大，在長時間的累積下形成了較大永久變形，使車廂后板與底板間隙逐漸增大，出現(xiàn)貨物泄漏。為了解決用戶使用時沒有鎖止邊鎖鉤造成的故障問題，現(xiàn)考慮在邊鎖鉤沒有鎖止的條件下，對鎖鉤連接板局部進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

4 改進(jìn)設(shè)計

4.1 改進(jìn)后模型

原始鎖鉤連接板為單L板結(jié)構(gòu)，抵抗因鎖鉤變形產(chǎn)生Y向扭矩的能力不足，現(xiàn)改進(jìn)后在鎖鉤連接板內(nèi)部增加一個U型槽板，厚度為5mm，與周邊件進(jìn)行焊接相連，改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對比如圖3所示。

4.2 改進(jìn)后結(jié)果分析

改進(jìn)后，按照工況2的邊界工況進(jìn)行加載，計算結(jié)果如圖4所示。應(yīng)力集中部位發(fā)生改變，主要集中在L板背面上，最大等效應(yīng)力為419.7 MPa，鎖鉤最大位移為11.1mm。

由結(jié)果可知，改進(jìn)后鎖鉤連接板的最大應(yīng)力小于其材料的屈服強(qiáng)度500Mpa，安全系數(shù)1.19，滿足強(qiáng)度要求，不會產(chǎn)生塑性變形。鎖鉤最大位移相比工況2減小了25%。同時改進(jìn)結(jié)構(gòu)已實施到實車當(dāng)中，目前市場驗證未再反饋相關(guān)問題，很好的彌補(bǔ)了用戶因操作不規(guī)范導(dǎo)致的過大塑性變形問題。市場驗證結(jié)果也證明了該結(jié)構(gòu)改進(jìn)的可行性。

5 結(jié)論

通過有限元分析，對自卸車車廂后板鎖鉤連接板強(qiáng)度不足問題進(jìn)行了故障再現(xiàn)，分析結(jié)果與故障位置比較吻合。同時結(jié)合市場反饋，找到了故障產(chǎn)生的真實原因，即用戶在車輛滿載時沒有對車廂后板邊鎖鉤進(jìn)行鎖止導(dǎo)致。由于此類現(xiàn)象比較常見，為了從根源上解決此問題，在鎖鉤連接板強(qiáng)度設(shè)計時加入了極限工況，市場驗證表明，此方法對解決用戶因操作不規(guī)范導(dǎo)致的故障問題切實有效，大大降低了相關(guān)問題的故障率反饋。

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