橋式凹板公路運輸裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計及受力分析

何衛(wèi)東，康澤宇，于喜年

橋式凹板公路運輸裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計及受力分析

何衛(wèi)東，康澤宇，于喜年

（大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

基于聚能發(fā)生器公路運輸裝備設(shè)計，為保證超長超寬超高超重運輸設(shè)備裝車方便及公路運輸安全，運輸車輛擬采用模塊化前后組合式軸線平板拖車，運輸裝備設(shè)計為橋式凹板公路運輸裝備并搭載于平板拖車之上。對運輸裝備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵傳力部件進(jìn)行受力分析，保證聚能發(fā)生器運輸過程的平穩(wěn)可靠。主要受力部件的關(guān)節(jié)軸承接觸應(yīng)力268.18 MPa、彎曲應(yīng)力49.54 MPa；軸及軸套接觸應(yīng)力883.15 MPa，彎曲應(yīng)力826.82 MPa。橋式凹板運輸裝備傳力部件受力均小于材料許用應(yīng)力，滿足運輸裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

關(guān)節(jié)軸承；公路運輸裝備；橋式凹版；模塊化設(shè)計

隨著我國交通運輸業(yè)的發(fā)展，重型載貨汽車是現(xiàn)代交通運輸中十分重要的載運工具之一。不規(guī)則的超重超寬超長機械裝備的公路運輸問題一直影響著我國某些重大工程項目施工進(jìn)展，提高運營效益也是大件物流運輸公司所追求的目標(biāo)，要降低運輸單位成本，輕量化的大型公路運輸裝備模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計及可靠性分析尤為重要。本文以某重點工程項目中關(guān)鍵儀器設(shè)備的聚能發(fā)生器公路運輸為研究對象，模塊化設(shè)計聚能發(fā)生器運輸裝備。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及運輸方案設(shè)計

圖1為聚能發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖，其總體為圓形超長超寬超高超重結(jié)構(gòu)，長寬高尺寸為13 m×3.8 m×4.1 m，總重413 t。

圖1 聚能發(fā)生器結(jié)構(gòu)

為使裝卸車方便，根據(jù)聚能發(fā)生器結(jié)構(gòu)特點和后續(xù)物流運輸需要，設(shè)計一套可拆卸拼接的模塊化橋式凹板公路運輸裝備。應(yīng)用有限元法對橋式凹板公路運輸裝備及關(guān)鍵部件進(jìn)行受力分析，對設(shè)計的合理性進(jìn)行評估，保證運輸裝備安全可靠和運輸過程的平穩(wěn)。如圖2所示為運輸聚能發(fā)生器設(shè)計的公路運輸裝備整體結(jié)構(gòu)示意圖，主要由牽引車及加長動力臂、組合式軸線平板拖車和橋式凹板運輸裝備等構(gòu)件模塊組成，其中橋式凹板運輸裝備由承載底板梁、加長動力臂、液壓升降機構(gòu)、牽引梁、連接銷軸及關(guān)節(jié)軸承等部件組成。

圖2 聚能發(fā)生器公路運輸裝備整體結(jié)構(gòu)

由于我國各地公路等級不同，加之橋涵隧道以及坡路彎道和松軟路基等諸多復(fù)雜因素致使大件運輸過程中風(fēng)險增加。運輸方案采用單車頭牽引，利用動力鵝頸連接軸線平板拖車，橋式凹板運輸裝備通過動力鵝頸搭載于前后平板車上，凹部距地板面較低，適于裝運外形高、重量大、支重面長度短的貨物。使用凹底平車裝運貨物，降低了貨物裝載高度，從而降低超限高度和貨物重心高度，增強大件運輸?shù)姆€(wěn)定性。

橋式凹板公路運輸裝備的設(shè)計及受力分析對解決上述問題具有實際意義，體積大、質(zhì)量重的運輸車輛結(jié)合了牽引車及掛車，這種組合模式解決了超大件設(shè)備運輸?shù)睦щy，可為類似大件的運輸設(shè)計提供參考[1]。

2 橋式凹板整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

國家等級公路和高速公路行駛貨運車輛限重單軸10 t[2]，根據(jù)運輸貨物重量，運輸方案設(shè)計為加長動力臂及承載底板梁搭載于前后25軸線平板車，橋式凹板運輸裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

橋式凹板結(jié)構(gòu)的動力臂、底板、左右邊梁和蓋板等采用高強度結(jié)構(gòu)鋼Q690焊接而成。本文略去抗彎、抗扭強度以及位移和疲勞受力分析，將在后續(xù)研究中予以闡述。圖4所示為動力臂與承載底板通過銷軸與軸套連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 橋式凹板運輸裝備結(jié)構(gòu)

圖4 加長動力臂頸與承載底板連接結(jié)構(gòu)

動力臂端部通過自潤滑關(guān)節(jié)軸承與牽引車轉(zhuǎn)向盤的動力鵝頸連接，圖5為自潤滑關(guān)節(jié)軸承裝配。自潤滑關(guān)節(jié)軸承外圈材料OCr17Ni4Cu4Nb，內(nèi)圈材料9Cr18。

圖5 自潤滑關(guān)節(jié)軸承（缺軸）

自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈模型如圖6所示。

圖6 自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈模型圖

加長動力臂頸及承載底板由鋼板焊接組成，所用材料物理屬性見表1所示。

表1 橋式凹板運輸裝備各材料物理屬性

名 稱材 料彈性模量/GPa泊松比密度/ (kg·m-3) 鋼板Q6902070.37.85 軸42CrMo2100.287.85 軸承內(nèi)圈0Cr17Ni4Cu4Nb2060.37.8 軸承外圈9Cr182000.37.8

軸及軸套為動力臂與承載底板的傳力部件，其結(jié)構(gòu)模型如圖7所示，軸材料為42CrMo；軸套材料為Q690。

傳力軸部件除自重及均勻施加于承載底板上的貨物載重還包括牽引力作用。運輸工況下加長動力臂頸距關(guān)節(jié)軸承端10 m處設(shè)置可調(diào)力臂支撐桿，約束其豎直方向的移動自由度，為防止動力臂塑性變形提供有力保障。

圖7 銷軸與軸套連接結(jié)構(gòu)圖

3 關(guān)鍵部件接觸分析

聚能發(fā)生器重413 t，根據(jù)文獻(xiàn)[3],設(shè)定動載系數(shù)為1.345 6，取=1.345 6×413=555.73 t作為運輸當(dāng)量載荷，經(jīng)計算承載底板梁承受4 900 MPa，載荷方向向下。通過Hypermesh軟件對橋式凹板運輸裝備進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義材料屬性、邊界條件并通過Ansys軟件進(jìn)行有限元分析。底板梁整體采用殼單元Shell 181模擬，有限元模型單元數(shù)1 075 956，節(jié)點數(shù)971 458。關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈發(fā)生相對滑動，約束內(nèi)圈X,Y,Z方向移動自由度；傳力軸部件僅產(chǎn)生沿Z方向的位移和繞Y方向轉(zhuǎn)動，因此約束傳力軸部件X、Y方向移動和X、Z方向轉(zhuǎn)動。傳力軸與軸套間隙配合，加載后軸與軸套發(fā)生轉(zhuǎn)動摩擦，對關(guān)節(jié)軸承及傳力軸和軸套網(wǎng)格模型做面－面接觸設(shè)置，如圖8所示為傳力軸與軸套配合整體網(wǎng)格模型；圖9為接觸面網(wǎng)格模型。

圖8 傳力軸與軸套網(wǎng)格模型

圖9 傳力軸接觸面網(wǎng)格模型

單元信息及材料屬性如表2所示。軸的主要破壞形式為表面壓潰磨損及彎曲和斷裂，所以傳力軸的強度計算主要對其剪切受力和擠壓磨損而展開進(jìn)行[4]。

表2 傳力軸與軸套配合網(wǎng)格信息表

零件名稱單元類型單元數(shù)材料屬性 傳力軸Sollid18524480彈性模量207 GPa，泊松比0.28密度7.85 kg/m3，摩擦系數(shù)0.15 軸套Sollid18527739

關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈為曲面接觸，其接觸應(yīng)力直接影響軸承接觸疲勞和磨損，任何承載方式的關(guān)節(jié)軸承接觸應(yīng)力均處于接觸面中心，但內(nèi)圈應(yīng)力分布略有不同，軸向中間位置受徑向壓應(yīng)力作用。當(dāng)載荷施加于關(guān)節(jié)軸承接觸面時，承載區(qū)域各位置受力不同，假設(shè)接觸面為剛性接觸零間隙，分析軸承徑向壓應(yīng)力，可找出最大應(yīng)力所在位置[5-8]。

圖10為自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈配合模型，其網(wǎng)格信息如表3所示。

圖10 自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈配合模型

表3 關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈配合信息表

零件名稱單元類型單元數(shù)材料屬性 內(nèi)圈Sollid18525752彈性模量206 GPa，泊松比0.3密度7.8 kg/m3，摩擦系數(shù)0.15 外圈Sollid18526973

3.1 傳力軸與軸套接觸分析

對傳力軸及軸套接觸分析，對底板梁升降過程及物料運輸?shù)目煽啃院推椒€(wěn)性尤為重要。貨物自承載底板傳力至軸套，與軸接觸。對整體進(jìn)行接觸分析，圖11為軸與軸套接觸區(qū)域等效應(yīng)力與合位移云圖。軸端最大等效應(yīng)力883.15 MPa小于材料許用應(yīng)力。軸與軸套最大彎曲形變?yōu)?.87 mm。

圖11 軸與軸套接觸區(qū)域等效應(yīng)力與合位移云圖

圖12為傳力軸接觸等效應(yīng)力與剪切應(yīng)力云圖。最大等效應(yīng)力826.82 MPa，小于材料許用應(yīng)力，所受最大應(yīng)力發(fā)生在傳力軸邊緣處，可做倒圓處理以減小邊界應(yīng)力集中。軸端最大彎曲形變?yōu)?.83 mm。

圖12 銷軸接觸等效應(yīng)力與形變位移云圖

軸套與銷軸均為面接觸，等效應(yīng)力最大處均為軸套邊緣，如圖13所示，最大等效應(yīng)力分別為308.745、883.159、480.763 MPa。

圖13 軸套最大等效應(yīng)力圖

3.2 關(guān)節(jié)軸承接觸分析

關(guān)節(jié)軸承外圈固定于軸套內(nèi)，內(nèi)圈在剛性外圈環(huán)支撐下，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)外圈接觸中間位置，其應(yīng)力逐漸向兩端收斂，關(guān)節(jié)軸承整體接觸分析等效應(yīng)力與位移云圖如圖14所示。

圖14 自潤滑關(guān)節(jié)軸承外圈等效應(yīng)力與位移云圖

分析結(jié)果表明關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈最大等效應(yīng)力為780 MPa，位于關(guān)節(jié)軸承外圈的軸承套與支架焊接處。合位移0.112 1 mm符合剛度要求。

圖15分別為自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈等效應(yīng)力及位移云圖，內(nèi)圈等效應(yīng)力268.188 MPa、彎曲變形0.043 mm。所受應(yīng)力滿足材料許用應(yīng)力極限值要求。關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈接觸區(qū)域最大接觸應(yīng)力268.188 MPa，位置在接觸區(qū)域上端，接觸應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力。

圖15 自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈等效應(yīng)力及位移圖

圖16自潤滑關(guān)節(jié)軸承外圈接觸應(yīng)力及位移云圖，軸承底端最大等效應(yīng)力780.888 MPa，最大位移為0.112 mm發(fā)生在外圈上部。最大等效應(yīng)力低于材料許用應(yīng)力。最大接觸應(yīng)力268.188 MPa，接觸應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力。其與軸承套與支架焊接處產(chǎn)生邊界應(yīng)力780.888 MPa，可做結(jié)構(gòu)加強處理，本文不作贅述。

圖16 關(guān)節(jié)軸承外圈等效應(yīng)力及位移云圖

4 結(jié)束語

本文針對某聚能發(fā)生器的橋式凹板公路運輸裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過有限元分析軟件對運輸裝備自潤滑關(guān)節(jié)軸承及承載底板與加長動力臂連接的軸與軸套進(jìn)行受力分析。主要受力部件的關(guān)節(jié)軸承接觸應(yīng)力268.18 MPa、彎曲應(yīng)力49.54 MPa、合位移0.112 1 mm；軸及軸套接觸應(yīng)力883.15 MPa，彎曲應(yīng)力826.82 MPa、彎曲形變0.87 mm。橋式凹板運輸裝備傳力部件受力小于材料許用應(yīng)力值，滿足運輸裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，分析結(jié)果為橋式凹板運輸裝備設(shè)計提供可靠數(shù)據(jù)保證。

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Structural Design and Force Analysis of Bridge Gravure Road Transport Equipment

HE Wei-dong, KANG Ze-yu, YU Xi-nian

（College of Mechanical Engineering，Dalian JiaoTong University, Dalian 116028, China）

This subject is the design of road transportation equipment of polygenerator for a key engineering project. In order to ensure the convenient loading of the ultra-long, ultra-wide, ultra-high and overweight transportation equipment and the safety of road transportation, the transportation vehicle is proposed to use a modular front and rear combined axis flatbed trailer, and the transportation equipment is designed as bridge gravure road transportation equipment and mounted on the flatbed trailer. The structural design of the transport equipment and the force analysis of the key force transmitting components ensure the smooth and reliable transport of the polygenerator. The contact stress of the main stress-bearing parts is 268.18 MPa and the bending stress is 49.54 MPa; the contact stress of the shaft and bushings is 883. 15 MPa and the bending stress is 826.82 MPa. The stresses on the transmission parts of the bridge gravure transport equipment are all less than the allowable stress of the material and meet the structural design requirements of the transport.

joint bearing; road transport equipment; bridge gravure; modular design

10.15916/j.issn1674-3261.2022.03.004

U270.38

A

1674-3261(2022)03-0156-04

2021-05-13

何衛(wèi)東(1967-)，男，遼寧朝陽人，教授，博士。

康澤宇(1997-)，男，遼寧大連人，碩士生。

責(zé)任編輯：陳 明