裝載機(jī)副車(chē)架斷裂分析及改進(jìn)

遲立新，田 野，王 孟，陳 振

裝載機(jī)副車(chē)架斷裂分析及改進(jìn)

遲立新1，田 野2，王 孟2，陳 振2

(1.中交一航局第四工程有限公司，天津 300456;2.雷沃重工股份有限公司，山東濰坊 261200)

為了解決作業(yè)工況惡劣時(shí)鉸接式裝載機(jī)副車(chē)架結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂的問(wèn)題，利用UG NX7．5和ANSYSWorkbench建立副車(chē)架的三維實(shí)體模型;選擇典型工況對(duì)該模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的應(yīng)力分析，得出副車(chē)架的應(yīng)力分布云圖。依據(jù)分析結(jié)果對(duì)副車(chē)架進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn):改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)受力情況明顯要好于原結(jié)構(gòu);增加副車(chē)架與后車(chē)架的間隙可改善副車(chē)架的受力。

副車(chē)架;斷裂分析;結(jié)構(gòu)改進(jìn);間隙調(diào)整

0 引言

輪式裝載機(jī)是一種多用途、高效率的工程機(jī)械，使用時(shí)靈活方便，作業(yè)速度快，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，工作效率高，被廣泛應(yīng)用在建筑工地、水利設(shè)施、港口碼頭、鐵路道路建設(shè)、礦山開(kāi)采、環(huán)境維護(hù)等作業(yè)環(huán)境。輪式裝載機(jī)由八大系統(tǒng)組成:動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電子電控系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)身系統(tǒng)、車(chē)架系統(tǒng)、工作裝置系統(tǒng)。

輪式裝載機(jī)的作業(yè)工況十分復(fù)雜，在作業(yè)過(guò)程中承受各種力和力矩［1-8］，車(chē)架系統(tǒng)作為承受載荷扭矩的主要部件，由前車(chē)架、后車(chē)架、副車(chē)架、中間鉸接組成，承受整個(gè)機(jī)械的大部分重量，還要承受各總成傳遞來(lái)的力和扭矩以及動(dòng)載荷作用，因此車(chē)架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度及剛度。前車(chē)架與前驅(qū)動(dòng)橋及工作裝置連接，后車(chē)架通過(guò)副車(chē)架與后驅(qū)動(dòng)橋連接，通過(guò)鉸接銷(xiāo)軸使后驅(qū)動(dòng)橋繞軸擺動(dòng)，提高裝載機(jī)的通過(guò)性能，降低路面顛簸對(duì)車(chē)架的影響［9-12］。副車(chē)架作為連接后車(chē)架與后驅(qū)動(dòng)橋的連接機(jī)構(gòu)，是裝載機(jī)上重要的承力部件，承載著裝載機(jī)后部的全部載荷及整機(jī)作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊，因此必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

本文基于某6 t裝載機(jī)副車(chē)架斷裂的實(shí)例，應(yīng)用有限元分析等方法對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)致使副車(chē)架發(fā)生斷裂的主要原因，從而解決副車(chē)架斷裂問(wèn)題，并為其改進(jìn)升級(jí)提供理論依據(jù)。

1 副車(chē)架斷裂實(shí)例

目前很多裝載機(jī)副車(chē)架采用焊接結(jié)構(gòu)，焊接節(jié)點(diǎn)多，焊縫密集，而副車(chē)架工作時(shí)要承受復(fù)雜的外部沖擊力，工況較為惡劣，易產(chǎn)生焊縫開(kāi)裂甚至斷裂失效等問(wèn)題。某6 t裝載機(jī)副車(chē)架原結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，主要由驅(qū)動(dòng)橋連接板、副車(chē)架支撐板、加強(qiáng)板及貼板組成。各板件焊接在一起，副車(chē)架驅(qū)動(dòng)橋連接板采用螺栓與驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行固定，支撐板用鉸接銷(xiāo)軸與后車(chē)架鉸接在一起。該裝載機(jī)在整機(jī)工作1 440 h時(shí)副車(chē)架斷裂，斷裂部位發(fā)生在副車(chē)架支撐板安裝孔處，整個(gè)支撐板全部斷裂，如圖1(b)所示。初步判斷原因是副車(chē)架強(qiáng)度不足。

圖1 副車(chē)架結(jié)構(gòu)與斷裂位置

2 副車(chē)架有限元分析

2．1 模型建立

利用UG NX 7.5軟件建立副車(chē)架的三維實(shí)體模型，并對(duì)實(shí)體模型中對(duì)模型結(jié)構(gòu)影響不大的特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，然后將實(shí)體模型導(dǎo)入到 ANSYS Workbench。板件與板件生成一個(gè)Part，不再對(duì)焊縫進(jìn)行單獨(dú)的建模，公共面用于模擬焊接(網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn))，板與板之間無(wú)滲透、間隙。對(duì)板與板之間因相互交接形成的微小面或邊可進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，用以保證后續(xù)網(wǎng)格質(zhì)量。副車(chē)架模型如圖2所示。

圖2 副車(chē)架模型

2．2 材料屬性

副車(chē)架主要是由中厚板焊接而成，其材料為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345A，材料屬性如表1所示。

2．3 網(wǎng)格劃分

副車(chē)架焊接件為厚板件，根據(jù)有限元網(wǎng)格劃分相關(guān)理論，采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。網(wǎng)格劃分選擇六面體占優(yōu)(Hex Dominant)方法，網(wǎng)格類(lèi)型以六面體為主，附帶有少量的金字塔單元、四面體單元。網(wǎng)格基本尺寸為10 mm，數(shù)量為47 023，如圖3所示。

2．4 作業(yè)工況

裝載機(jī)是以土石方為工作介質(zhì)的周期性作業(yè)機(jī)械，作業(yè)工況眾多。目前裝載機(jī)作業(yè)工況計(jì)算包含以下7種:正載最大插入力工況、正載最大鏟掘工況、正載最大插入力和鏟掘聯(lián)合作業(yè)工況、偏載最大插入力工況、偏載最大鏟掘工況、偏載最大插入和鏟掘聯(lián)合作業(yè)工況以及行駛顛簸工況。從理論分析可知，副車(chē)架受載荷最大的典型工況發(fā)生在正載最大插入力工況，因此選擇該工況為典型工況進(jìn)行計(jì)算分析。

表1 材料特性參數(shù)

2．5 載荷與邊界條件

2．5．1 載荷計(jì)算

圖3 副車(chē)架網(wǎng)格

正載最大插入力工況為:副車(chē)架既受到垂直的自身重力，又受后驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)生的水平方向的插入力。后驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)生的插入力的大小以后驅(qū)動(dòng)橋處整機(jī)重力產(chǎn)生的摩擦力代替。對(duì)于鉸接式裝載機(jī)來(lái)說(shuō)，空載時(shí)副車(chē)架承受的載荷約占整機(jī)重力的50%～55%，滿(mǎn)載時(shí)約占整機(jī)重力的25% ～35%［13］。在正載插入工況，一般按空載計(jì)算副車(chē)架所受重力和插入力。

已知此6 t機(jī)型整機(jī)質(zhì)量為20 000 kg，按空載時(shí)副車(chē)架承受的整機(jī)重力的55%計(jì)算，副車(chē)架處承受的自身重力為107.8 kN。

后驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)生的牽引力

式中:G為副車(chē)架處所受重力;μ為地面附著系數(shù)，取0.7。

2．5．2 有限元實(shí)現(xiàn)

(1)副車(chē)架橋連接面處施加固定約束，限制其前后、上下等方向的自由度。

(2)在副車(chē)架與鉸接銷(xiāo)接觸面處施加機(jī)重載荷，載荷類(lèi)型為軸承力。

(3)副車(chē)架安裝鉸接銷(xiāo)端面處施加插入力，作用面為后車(chē)架銷(xiāo)盤(pán)投影面積，如圖4所示。

圖4 約束及載荷

2．6 計(jì)算結(jié)果

副車(chē)架應(yīng)力云圖如圖5所示，最大Von Mises應(yīng)力發(fā)生在副車(chē)架支撐板圓孔周?chē)?，?shù)值為225．47 MPa，低于許用應(yīng)力230 MPa，該計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。為確定邊界條件及載荷施加是否與現(xiàn)場(chǎng)使用情況吻合，需對(duì)故障進(jìn)行重新確認(rèn)。

圖5 分析計(jì)算結(jié)果

2．7 模型修正

再次對(duì)故障裝載機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)副車(chē)架與后車(chē)架間部分調(diào)整墊已磨損脫落，副車(chē)架與后車(chē)處間隙增大，在作業(yè)過(guò)程中后橋插入力只作用于副車(chē)架一個(gè)支撐板上，造成此支撐板受較大作用力。

根據(jù)實(shí)際情況對(duì)有限元模型進(jìn)行調(diào)整，即將后橋插入力全部施加在一個(gè)支撐板側(cè)面上。重新分析計(jì)算，副車(chē)架所受應(yīng)力如圖6(a)所示。此種狀態(tài)下，副車(chē)架支撐架圓孔周?chē)畲骎on Mises應(yīng)力達(dá)到420.1 MPa，已遠(yuǎn)超出材料的屈服極限，與斷裂部位一致。在插入力方向上，支撐板的最大位移量為1.854 7 mm，如圖6(b)所示，變形量小于調(diào)整墊片的尺寸。因此，調(diào)整墊脫落后，插入力會(huì)長(zhǎng)期作用于單個(gè)支撐板上，從而造成副車(chē)架的斷裂失效。

圖6 應(yīng)力與位移計(jì)算結(jié)果

3 解決措施

造成副車(chē)架斷裂的主要原因是副車(chē)架與后車(chē)架間調(diào)整墊磨損脫落后導(dǎo)致間隙變大，副車(chē)架一個(gè)支撐板受插入力，在此過(guò)程中，副車(chē)架所受應(yīng)力增大，超出材料的屈服極限，造成副車(chē)架支撐板斷裂。結(jié)合實(shí)際情況制定如下解決措施。

(1)改進(jìn)副車(chē)架結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)副車(chē)架支撐板，將支撐板鉸接孔處上、下面加高10 mm。調(diào)整后副車(chē)架總體強(qiáng)度和剛度提高，其應(yīng)力分析結(jié)果如圖7(a)所示。單支撐板工況下圓孔周?chē)畲骎on Mises應(yīng)力值由420 MPa降為271 MPa，降幅達(dá)35%;兩支撐板受力工況下其圓孔周?chē)畲骎on Mises應(yīng)力值為由225 MPa降為163 MPa，降幅達(dá)27%，如圖7(b)所示。改進(jìn)后副車(chē)架自身的安全系數(shù)得到提高。

圖7 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(2)制作一組耐磨調(diào)整墊，選擇不同厚度調(diào)整墊使副車(chē)架與后車(chē)架間的裝配間隙不大于0.5 mm，副車(chē)架前后支撐板同時(shí)受力。

通過(guò)以上改進(jìn)，此6 t裝載機(jī)工作近6 000 h，再未發(fā)生此類(lèi)斷裂問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某6 t裝載機(jī)副車(chē)架斷裂問(wèn)題，利用有限元分析工具，得出副車(chē)架斷裂失效的主要原因是:后車(chē)架與副車(chē)架間調(diào)整墊早期磨損，致使副車(chē)架支撐板單邊受力，最終導(dǎo)致副車(chē)架斷裂。通過(guò)對(duì)副車(chē)架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，以及控制后車(chē)架與副車(chē)架的間隙，避免了副車(chē)架斷裂，提高了其使用壽命。

本文通過(guò)仿真與實(shí)際相結(jié)合，解決了裝載機(jī)副車(chē)架斷裂問(wèn)題，并對(duì)副車(chē)架的工況進(jìn)行了應(yīng)力分析，為裝載機(jī)副車(chē)架的設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供依據(jù)。

［1］ 張艷玲．輪式裝載機(jī)副車(chē)架強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］．工程機(jī)械，2013，44(7):1-3．

［2］ 祝世興，王海軍．基于ANSYS的輪式裝載機(jī)后車(chē)架強(qiáng)度分析及改進(jìn)［J］．煤炭技術(shù)，2010，29(6):36-37．

［3］ 薛伯良．Z50B裝載機(jī)后車(chē)架斷裂原因分析［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)，2003．

［4］ 陳致水，張喜瑞，李 粵，等．輪式裝載機(jī)副車(chē)架有限元分析［J］．農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2011(10):54-56．

［5］ 馬開(kāi)嶺．解決裝載機(jī)副車(chē)架等同軸度要求的簡(jiǎn)易工裝［J］．工程機(jī)械，1996，27(11):29-30．

［6］ 張建安．裝載機(jī)副車(chē)架支承梁斷裂失效分析［J］．廣東科技，2011，20(18):79-80．

［7］ 張宏春．裝載機(jī)的正確使用與維護(hù)［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2005，22(7):52-54．

［8］ 何振東，顏景輝．裝載機(jī)提升能力不足的改進(jìn)計(jì)算［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2001，18(5):6-7．

［9］ 吳占文，高 軍，馬一民．裝載機(jī)總體參數(shù)仿真設(shè)計(jì)［J］．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，24(2):97-100．

［10］ 王國(guó)林，任潔雨，傅乃霽，等．基于數(shù)值仿真和動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)的副車(chē)架輕量化［J］．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015，35(5):137-144．

［11］ 萬(wàn)一品，宋緒丁，郁錄平，等．裝載機(jī)工作裝置斗尖載荷當(dāng)量模型與試驗(yàn)［J］．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2017，37(3):119-126．

［12］ 張玉寶，劉曉娟．基于ANSYS某斷裂副車(chē)架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012(2):67-68．

［13］ 劉大虎，劉瑞華．副車(chē)架開(kāi)裂及中橫梁焊縫斷裂的原因和加固方法［J］．汽車(chē)技術(shù)，1995(8):44-47．

Fracture Analysis and Improvement of Loader Subframe

CHI Li-xin1，TIAN Ye2，WANG Meng2，CHEN Zhen2
(1．No．4 Engineering Co．，Ltd．of CCCC First Harbor Engineering Co．，Ltd．，Tianjin 300456，China;2．Lovol Heavy Industry Co．，Ltd．，Weifang 261200，Shandong，China)

In order to solve the problem that the subframe structure of the articulated loader is prone to weld cracking when working in bad conditions，the UG NX7．5 and ANSYS Workbench were used to build the 3D entity model of the subframe．Typical working conditions were chosen to carry out the stress analysis of the model，and the stress nephogram of the subframe was obtained．Improvement of the subframe was made based on the analysis，and the results show that the modified structure is in better stress condition，which can be improved by increasing the clearance between the subframe and the rear frame．

subframe;fracture analysis;structural improvement;clearance adjustment

U415．51

B

1000-033X(2017)10-0102-04

2017-03-24

遲立新(1975-)，男，河北滄州人，高級(jí)工程師，工程碩士(在讀)，研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械。

［責(zé)任編輯:高 甜］