罐車牽引鞍座總成試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

蔡加加，戴 瑤，濮躍文，唐 卿

(1.揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，江蘇 揚(yáng)州 225012)(2.揚(yáng)州中集通華專用車有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009)

半掛鞍座式罐車是道路運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，其牽引鞍座總成連接著罐車與牽引車。由于牽引鞍座總成在分擔(dān)罐車重力的同時(shí)還承受牽引車與罐車耦合狀態(tài)下各工況的動(dòng)態(tài)載荷，因此鞍座牽引總成處的強(qiáng)度、剛度及其疲勞特性直接影響罐車的整體性能。

鞍座式罐車在剎車、蛇形等工況下，罐內(nèi)介質(zhì)沖擊各個(gè)防浪板時(shí)會(huì)有一個(gè)能量從罐體尾端向罐體前端累計(jì)的過(guò)程。受其結(jié)構(gòu)形式影響，在極限工況下尤其是剎車工況時(shí)，易引起罐車頻繁發(fā)生點(diǎn)頭現(xiàn)象。此時(shí)以牽引銷為中心的鞍座位置處出現(xiàn)較大彎矩，鞍座附近的加強(qiáng)筋根部與牽引板鏈接處應(yīng)力較大，易出現(xiàn)裂紋。根據(jù)客戶反饋，某型號(hào)罐車鞍座總成處出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，尤其是鞍座總成上方第二加強(qiáng)筋根部處的應(yīng)力較為嚴(yán)重。產(chǎn)品反饋問(wèn)題與理論分析較為吻合。

1 鞍座總成分析

針對(duì)鞍座總成開(kāi)裂問(wèn)題，筆者首先建立同款罐車鞍座總成物理模型，分析該型號(hào)鞍座總成的剛度、強(qiáng)度，并對(duì)鞍座加強(qiáng)筋板厚、寬度以及豎筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)；然后對(duì)試制的改進(jìn)鞍座總成進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證鞍座結(jié)構(gòu)力學(xué)性能[1-2]。

該型號(hào)罐車鞍座總成的裂紋集中在鞍座總成上方第二加強(qiáng)筋根部(左、右兩側(cè)均有該情況發(fā)生)，具體如圖1所示。

圖1 加強(qiáng)筋根部開(kāi)裂

建立罐車及鞍座總成物理模型，如圖2和圖3所示。參照ADR(the australian design rules)標(biāo)準(zhǔn)分別按照向前2g、向下2g、側(cè)向1g、向上1g的工況進(jìn)行計(jì)算分析。其中向前2g載荷按照罐內(nèi)各防浪板之間的載質(zhì)量施加在防浪板上；側(cè)向1g載荷施加在右半側(cè)筒體上；向下2g載荷施加在下半邊筒體上；向上1g載荷施加在上半邊筒體上。材料選擇要滿足GB 18564.1—2019《道路運(yùn)輸液體危險(xiǎn)貨物罐式車輛：第1部分 金屬常壓罐體技術(shù)》的要求[3]，其斷后伸長(zhǎng)率應(yīng)大于等于12%，相鄰焊接部位采用同質(zhì)材料。本文采用符合歐標(biāo)(EN14286)的鋁材，牌號(hào)為H321，其斷后延伸率為12%，滿足GB18564.1的技術(shù)要求，其他參數(shù)：屈服強(qiáng)度Rρ0.2為220 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為305 MPa[4]。根據(jù)JB/T 4732—2002鋁制焊接容器標(biāo)準(zhǔn)的要求，許用應(yīng)力Rm/4和Rρ0.2/1.5取小值，材料許用應(yīng)力為76.25 MPa 。

圖2 罐體總成圖 圖3 鞍座總成結(jié)構(gòu)

罐車剎車時(shí)存在彎矩，點(diǎn)頭現(xiàn)象嚴(yán)重[5]。如表1所示[6]，向前2g工況時(shí)存在介質(zhì)沖擊時(shí)的能量累計(jì)，此時(shí)加強(qiáng)筋根部與牽引板焊接連接處應(yīng)力較大，超出材料的許用應(yīng)力。限于圖幅，僅展示向前2g時(shí)鞍座總成變形量云圖及加強(qiáng)筋根部焊縫應(yīng)力云圖，如圖4、圖5所示。

表1 各工況下加強(qiáng)筋根部焊縫處應(yīng)力

圖4 鞍座變形云圖

圖5 加強(qiáng)筋焊縫處應(yīng)力

2 鞍座結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為解決鞍座開(kāi)裂問(wèn)題，本文以加強(qiáng)筋厚度t和寬度B為優(yōu)化參數(shù)改進(jìn)豎筋板結(jié)構(gòu)，增加減載槽，優(yōu)化改進(jìn)鞍座總成的整體力學(xué)性能[7]。

2.1 加強(qiáng)筋厚度、寬度參數(shù)

在分析加強(qiáng)筋根部焊縫裂紋走向的基礎(chǔ)上，以加強(qiáng)筋厚度t和寬度B為參數(shù)迭代優(yōu)化，從而降低加強(qiáng)筋根部的應(yīng)力，滿足罐車使用要求。鞍座總成中原加強(qiáng)筋厚度t為8 mm、寬度B為140 mm，罐車載質(zhì)量為40 t。按照ADR標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各工況進(jìn)行分析，優(yōu)化鞍座的加強(qiáng)筋板厚t并繪制應(yīng)力趨勢(shì)圖，如圖6所示。

圖6 不同厚度下加強(qiáng)筋根部焊縫應(yīng)力

考慮到10 mm以下鋁合金板材具有良好的焊接性，本文研究并對(duì)比分析外側(cè)加強(qiáng)筋在8 mm、9 mm、10 mm厚度的根部焊縫應(yīng)力。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，隨著板厚增加，加強(qiáng)筋根部的焊縫處應(yīng)力會(huì)減小，具體如圖7 所示，因此選擇t=10 mm作為加強(qiáng)筋改進(jìn)厚度。

圖7 不同寬度下加強(qiáng)筋根部焊縫應(yīng)力

為提高焊接性能、降低加強(qiáng)筋根部焊縫應(yīng)力，需要優(yōu)化加強(qiáng)筋寬度B。綜合考慮加強(qiáng)筋上部襯板寬度僅160 mm、加強(qiáng)筋寬度B為140 mm的雙重情況，分別在原加強(qiáng)筋寬度基礎(chǔ)上增加5 mm和10 mm進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著加強(qiáng)筋寬度B增加，加強(qiáng)筋根部焊縫處應(yīng)力隨之減小。綜合考慮，加強(qiáng)筋的厚度t定為10 mm，寬度B定為150 mm。

2.2 豎筋板減載槽改進(jìn)

本文采用提高機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度、增設(shè)減載槽結(jié)構(gòu)改變零件的力流線來(lái)降低零件應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生。有無(wú)減載槽情況下加強(qiáng)筋根部焊縫應(yīng)力的對(duì)比如圖8所示。改進(jìn)后的鞍座應(yīng)力變形云圖和加強(qiáng)筋根部應(yīng)力云圖，如圖9、圖10所示。

具體改進(jìn)位置如圖11所示，分析各工況下豎筋板有無(wú)減載槽結(jié)構(gòu)對(duì)加強(qiáng)筋根部焊縫應(yīng)力的影響。綜合考慮后，選擇豎筋板上有減載槽、加強(qiáng)筋厚度t=10 mm、寬度B=150 mm的結(jié)構(gòu)(即在原鞍座結(jié)構(gòu)上，加強(qiáng)筋厚度增加2 mm、寬度增加10 mm)。

圖8 有無(wú)減載槽加強(qiáng)筋根部焊縫應(yīng)力對(duì)比

圖9 改進(jìn)后鞍座變形云圖

圖10 改進(jìn)后加強(qiáng)筋焊縫處應(yīng)力云圖

圖11 鞍座總成改進(jìn)位置示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，分別在比利時(shí)工況和水泥工況上進(jìn)行罐車測(cè)試，并取應(yīng)力最大值。測(cè)試儀器和測(cè)試路面，分別如圖12、圖13所示。

圖12 測(cè)試儀器 圖13 動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)采用的設(shè)備為YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀、CRAS V7.4振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)、AZ316數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、KD6005應(yīng)變放大器。靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)試精度為1 με、測(cè)試范圍為-19 999～19 999、振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)加速度采集精度為0.000 1 m/s2。

最大動(dòng)應(yīng)力σmax和最小動(dòng)應(yīng)力σmin為:

圖14 測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力算法示意圖

本文在加強(qiáng)筋焊縫處貼三向應(yīng)變片測(cè)試其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)應(yīng)力。如圖15所示，鞍座總成改進(jìn)后與改進(jìn)前相比，各工況的加強(qiáng)筋根部焊縫上的應(yīng)力得到有效降低。如圖16所示，在各工況下試驗(yàn)與仿真結(jié)果趨勢(shì)一致，但由于試驗(yàn)的隨機(jī)性，測(cè)試應(yīng)力要比仿真應(yīng)力略高，試驗(yàn)與仿真結(jié)果具有很好的參考意義。

4 結(jié)論

本文依據(jù)ADR標(biāo)準(zhǔn)，利用ANSYS軟件分析鞍座總成加強(qiáng)筋根部焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象，通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化加強(qiáng)筋板厚度t和寬度B，同時(shí)增加豎筋板減載槽結(jié)構(gòu)，從而減小加強(qiáng)筋根部焊縫處的應(yīng)力。根據(jù)仿真結(jié)果，試制鞍座總成結(jié)構(gòu)并進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)路試，驗(yàn)證鞍座總成的動(dòng)態(tài)應(yīng)力情況。結(jié)論如下：

圖15 模型改進(jìn)前后應(yīng)力對(duì)比

圖16 仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

1) 隨著加強(qiáng)筋板厚度t、寬度B的增加，加強(qiáng)筋根部的焊縫應(yīng)力有明顯下降。

2) 豎筋板減載槽形式的應(yīng)用，極大降低了加強(qiáng)筋根部焊縫應(yīng)力，且明顯改善了制動(dòng)時(shí)罐車點(diǎn)頭現(xiàn)象。

3) 鞍座前后結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使鞍座加強(qiáng)筋根部焊縫處的仿真應(yīng)力得到有效降低。