某自卸車(chē)平衡橋橫梁故障分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

摘要：為診斷某自卸車(chē)平衡橋橫梁開(kāi)裂原因，本文利用有限元分析對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了模擬分析，最終確定了引起故障的根本原因。同時(shí)，結(jié)合有限元分析對(duì)平衡橋橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，市場(chǎng)驗(yàn)證未再反饋質(zhì)量問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：有限元分析;平衡橋橫梁;車(chē)架;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;應(yīng)力集中

中圖分類號(hào)：U471 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

平衡橋橫梁位于雙后橋上方車(chē)架縱梁之間，是重型卡車(chē)關(guān)鍵的承載部件。本文針對(duì)某8×4自卸車(chē)平衡橋橫梁開(kāi)裂問(wèn)題（圖1），對(duì)用戶使用工況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂故障主要集中在礦區(qū)，路況惡劣且有超載現(xiàn)象。為了查明引起故障的根本原因，現(xiàn)對(duì)平衡橋橫梁進(jìn)行有限元模擬分析，并結(jié)合分析結(jié)果提出改進(jìn)措施。

1車(chē)架總成有限元模型

由于平衡橋橫梁位于車(chē)架中，受力復(fù)雜且難以直接提取載荷，因此需要搭建車(chē)架總成有限元模型來(lái)模擬平衡橋橫梁的受力情況（圖2）。模型主要包含車(chē)架總成、副車(chē)架總成、貨箱底板、鋼板彈簧、平衡懸架、駕駛室質(zhì)心、動(dòng)力總成質(zhì)心、油箱支架、電瓶框支架和尿素罐支架等。

對(duì)于薄壁件采用殼單元進(jìn)行離散，非薄壁件首選六面體單元離散，離散困難的非關(guān)注件采用一階四面體，重點(diǎn)關(guān)注件采用二階四面體。輪胎用rbe2單元模擬，橋用beam單元模擬，懸架用bush單元模擬，焊接用“rbe3+penta+rbe3”單元模擬，螺栓用“rbe2+beam+rbe2”單元模擬。重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域零部件之間建立contact pair接觸關(guān)系，鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)自由度按照實(shí)際情況模擬。模型搭建完畢后需校軸荷，誤差控制在5%以內(nèi)。模型單元總數(shù)為2068764，其中三角形單元數(shù)量為3589，占總單元數(shù)的0.17%。

2車(chē)架總成強(qiáng)度分析

2.1工況定義

負(fù)載質(zhì)量分別為標(biāo)載30t和超載40t時(shí)，按照表1所示的工況進(jìn)行加載。

2.2結(jié)果分析

標(biāo)載30t時(shí)，平衡橋橫梁最大應(yīng)力為278.3 MPa，小于其材料510L的屈服極限355.0 MPa，安全系數(shù)為1.27（圖3）。

超載40t時(shí)，平衡橋橫梁最大應(yīng)力434.4 MPa，超過(guò)其材料510L的屈服極限355.0MPa，安全系數(shù)只有0.82。應(yīng)力集中區(qū)域與開(kāi)裂部位吻合，如圖4和圖5所示。

由上述分析結(jié)果可知，車(chē)架平衡橋橫梁開(kāi)裂的根本原因是礦區(qū)車(chē)輛超載，超過(guò)平衡橋橫梁強(qiáng)度而開(kāi)裂。為了解決特殊使用工況下平衡橋橫梁強(qiáng)度不足問(wèn)題，滿足用戶需求，現(xiàn)考慮在滿載40t的條件下，對(duì)平衡橋橫梁進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1改進(jìn)后模型

平衡橋橫梁原結(jié)構(gòu)內(nèi)襯板為平板結(jié)構(gòu)，未能對(duì)開(kāi)裂部位R角處起到加強(qiáng)作用?，F(xiàn)改進(jìn)后將內(nèi)襯板設(shè)計(jì)為U型槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓與平衡橋橫梁上下翼面相連，改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖6所示。

3.2改進(jìn)后結(jié)果分析

改進(jìn)后，按照滿載40 t貨物進(jìn)行加載，平衡橋橫梁最大應(yīng)力為312.7 MPa，小于其材料510L的屈服極限355.0 MPa，安全系數(shù)為1.13（圖了）。

由結(jié)果可知，改進(jìn)后平衡橋橫梁安全系數(shù)為1.13，而改進(jìn)前只有0.82，強(qiáng)度有了明顯提升。目前改進(jìn)方案已實(shí)車(chē)驗(yàn)證，未再反饋質(zhì)量問(wèn)題。市場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果也證明了該結(jié)構(gòu)改進(jìn)的可行性。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)有限元分析，對(duì)8×4自卸車(chē)平衡橋橫梁開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行了故障再現(xiàn)，平衡橋橫梁應(yīng)力集中區(qū)域與開(kāi)裂部位基本一致，說(shuō)明礦區(qū)車(chē)輛超載是平衡橋橫梁開(kāi)裂的根本原因。經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)后，強(qiáng)度得到了明顯提升，市場(chǎng)驗(yàn)證未再反饋質(zhì)量問(wèn)題。此分析方法對(duì)快速解決售后質(zhì)量問(wèn)題切實(shí)有效。