工程車車架整體結(jié)構(gòu)發(fā)展和優(yōu)化方向研究

劉興國，黃才貴，蔣正忠

（南寧學院，廣西 南寧 530200）

0 引言

工程車是實現(xiàn)工程建設(shè)的重要機械[1]，能夠提高工程建設(shè)的效率并提升建設(shè)目標的質(zhì)量，工程車針對的目標類型多樣[2]，用于工程的運載、挖掘、搶修和作戰(zhàn)等內(nèi)容[3]，目前常見工程車有重型運輸車輛、大型吊車、挖掘機、推土機、壓路機、裝載機、電力搶修車和工程搶險車等。工程車的廣泛運用對工程建設(shè)的意義重大，但工程車安全事故率長期居高不下，一方面是由于操作人員的失誤，另一方面是因為車輛本身結(jié)構(gòu)和安全措施沒有做到位。國內(nèi)外工程車的建造中常常會采用雷達、攝像頭、超聲波等輔助設(shè)備來輔助駕駛?cè)藛T，大大降低事故發(fā)生率。對于工程車來說，必須控制其關(guān)鍵部位的安全穩(wěn)定性，才能使其能夠順利地進行工程建設(shè)活動，而工程車車架就是工程車上最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)之一。

目前，國內(nèi)外學者已經(jīng)認識到了工程車各個部分的構(gòu)件的重要作用，并且對工程車的結(jié)構(gòu)特性和改善方案等研究上有了較為豐富的成果，例如，周厚強等[4]發(fā)現(xiàn)重型輪式工程車野外作業(yè)時，車輪故障率較高，例如爆胎、車輪溫度過高、制動失效等，有必要經(jīng)常進行現(xiàn)場車輪更換、輪轂制動鼓清洗、輪轂制動蹄片更換等[5]；胡文華等[6]針對市場反饋某型工程車翻轉(zhuǎn)機構(gòu)螺栓在實際使用中發(fā)生斷裂，并且出現(xiàn)車身不正的現(xiàn)象，對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行了有限元分析，找到了故障原因。但是，現(xiàn)有研究還缺乏對于工程車車架整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)發(fā)展和優(yōu)化方向研究，本文針對已有研究的不足進行解決，從而提出相應的研究結(jié)論，對工程車車架的改進有重要意義。

1 工程車車架整體結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)的問題

由于工程車常常需要進行野外作業(yè)，因此容易因惡劣環(huán)境和長期工作造成損傷，而工程車車架出現(xiàn)損傷后，不但會影響工程建設(shè)的效果和效率，還有可能會威脅工程車駕駛?cè)藛T和工程建設(shè)范圍內(nèi)相關(guān)人員的生命健康安全，因此必須針對工程車車架整體結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)的問題進行歸納總結(jié)，從而進行后續(xù)研究。

1.1 工程車車架出現(xiàn)抖動

工程車在進行工程建設(shè)過程中經(jīng)常會發(fā)生承受較大荷載、高頻運動和長時間工作等情況，因此，對工程車車架提出較高的要求，這其中，由于各種各樣的原因，常常會發(fā)生工程車車架發(fā)生異常抖動的情況，由于工程車車架的抖動，可能會造成工程車難以符合工程建設(shè)的需要，抖動會導致工程車進行位置定位時的不準確，在部分需要高精度定位的情況下，抖動還會使工程車與工程建設(shè)對象的連接失敗，從而嚴重影響工程工期以及工程建設(shè)的質(zhì)量，因此必須重視工程車車架出現(xiàn)抖動的問題。

1.2 工程車車架部分位置出現(xiàn)裂紋或變形

由于工程車車架是工程車承受荷載的重要部位，因此在工程車發(fā)生傾覆、側(cè)翻等情況時，很可能是由于工程車車架出現(xiàn)損傷導致的，工程車車架的損傷主要表現(xiàn)為工程車車架部分位置出現(xiàn)裂紋或變形。工程車車架部分位置出現(xiàn)裂紋時，會造成其部分位置出現(xiàn)應力集中，從而造成工程車車架更容易破壞，在裂紋發(fā)展到一定情況后，會導致裂紋貫通，從而導致工程車車架整體破壞，而工程車車架部分位置出現(xiàn)變形時，會導致工程車車架受力不穩(wěn)定，內(nèi)力分布失調(diào)，導致工程車整體結(jié)構(gòu)受力紊亂，從而導致工程車可能發(fā)生側(cè)翻等情況[7]。

1.3 工程車車架難以符合工程環(huán)境的需要

由于工程車常需要在特殊工程環(huán)境下進行作業(yè)，因此，必須考慮工程車車架在特殊環(huán)境下的抵抗特性，這其中，重點需要關(guān)注的是在高溫、高寒、高濕度、高腐蝕性等情況下的工程車車架的抗性，上述的工程環(huán)境很可能導致工程車車架直接出現(xiàn)損傷，或者導致工程車車載在承受荷載的過程損傷加劇，因此，應當考慮工程車的運行環(huán)境，從而避免工程車車架難以承受特殊環(huán)境，而在工程建設(shè)環(huán)境下進行工程車車架的維修或者更換都極其花費時間，嚴重影響工程進度，因此必須考慮其在特殊環(huán)境下的特殊性能。

2 工程車車架整體結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向

目前，針對于工程車車架而言，單獨考慮車架的螺栓、橫縱梁等部件的力學性能有一定的工程意義，但是仍應該重點考慮工程車車架的整體結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程車車架的現(xiàn)有功能特點和工程技術(shù)特性，可以從以下方面來進行工程車車架整體結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向提升。

2.1 提高工程車車架的材料特性

首先，應當關(guān)注工程車車架的建造材料。材料是任何結(jié)構(gòu)進行受力的基礎(chǔ)，只有足夠優(yōu)秀的材料，才能夠在工程建設(shè)中發(fā)揮重要的作用，對于工程車車架而言，其涉及到的材料特性包括：密度、彈性模量、延性、特殊抗性等。在密度上，應當關(guān)注工程車車架能否擁有較輕的質(zhì)量和較小的體積，由于工程車往往需要承受車上相關(guān)器械的重量或者搬運相關(guān)的器物，能夠承受的荷載是有限的，而輕質(zhì)的工程車車架能夠讓工程車能夠承受更高的荷載，在彈性模量上，彈性模量的提高表明工程車車架在高荷載情況下的變形較小，在延性上，更大的延性能夠使工程車車架能夠承受更大的變形，而能夠承受的變形更大之后，能夠便于發(fā)現(xiàn)工程車車架的損傷，而特殊抗性則是為了實現(xiàn)工程車車架符合工程環(huán)境的需要，主要是為了應對高溫、高寒、高濕度、高腐蝕性等情況。

2.2 改善工程車車架的結(jié)構(gòu)分布

除了材料特性以外，還應當關(guān)注工程車車架的結(jié)構(gòu)分布。材料決定了結(jié)構(gòu)承受內(nèi)外的基本特性，而合理的結(jié)構(gòu)分布能夠最大程度地減少材料的使用以及幫助車架合理地實現(xiàn)功能。對于工程車車架而言，應當以目標為導向來進行結(jié)構(gòu)分布的設(shè)計和建造，工程車車架的結(jié)構(gòu)分布決定著其在承受荷載下的內(nèi)力分布，因此必須關(guān)注工程車車架的結(jié)構(gòu)，尤其注意如何使其在最小重量的前提下實現(xiàn)承受最大承載，并且能夠承擔不同類型的荷載，包括剪力、軸力和彎矩等，能夠在不同組合的荷載作用下保證工程車車架的正常使用[8]。

3 工程車車架整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的要點

針對工程車車架整體結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)的問題，結(jié)合工程車車架整體結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向，根據(jù)筆者在工程車管理和使用中的相關(guān)研究，總結(jié)得出工程車車架整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的要點，主要包括以下內(nèi)容。

3.1 發(fā)展工程車車架的新型材料

材料特性是工程車車架整體結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要方向，因此，必須關(guān)注和發(fā)展工程車車架的新型材料。對于工程車車架的新型材料，必須關(guān)注其建設(shè)成本和工程應用的價值，而這需要一個較為明顯的時間周期，在發(fā)展工程車車架的新型材料的過程中，應當以工程車車架部分位置出現(xiàn)裂紋或變形和工程車車架難以符合工程環(huán)境的需要等問題為目標，在工程車車架的新型材料的運用中，首先進行多因素的選擇，同時關(guān)注工程車車架的內(nèi)部之間的各種材料綜合使用，在建造過程中對于工程車車架的新型材料進行多功能性的測試，并且考慮工程車車架的新型材料的合理使用周期，值得注意的是，目前對于工程車車架的新型材料在高溫、高寒、高濕度、高腐蝕性等情況下的抵抗性能研究仍然較少，因此，必須關(guān)注上述方面的問題，從而進行工程車車架的新型材料合理優(yōu)化。

3.2 控制工程車車架的整體振動性能

針對工程車車架出現(xiàn)抖動和工程車車架部分位置出現(xiàn)裂紋或變形的問題，在發(fā)展工程車車架的新型材料之外，還應當重點從控制工程車車架的整體振動性能上進行考慮。工程車車架的整體振動性能的主要表現(xiàn)因素包括振型、自振頻率以及阻尼比等內(nèi)容，振型決定工程車車架在承受動力作用下的整體變形和受力特點，而工程車車架的結(jié)構(gòu)復雜，往往還不單只有一個振型，而多振型之間的耦合關(guān)系還很復雜，自振頻率則決定著工程車車架在動力作用下是否與荷載發(fā)生共振，自振頻率和荷載頻率越接近，則工程車車架發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的可能性就更大，而阻尼比則決定著工程車車架在荷載作用下是否能夠以自身特性抵消荷載作用，因此，無論是振型、自振頻率以及阻尼比，都影響著工程車車架的整體振動性能，因此也必須通過控制各個個體指標來實現(xiàn)對于工程車車架的整體振動性能的控制。

3.3 加強薄弱位置的抵抗力

工程車車架的整體振動性能十分重要，但整體振動性能的損傷或整體結(jié)構(gòu)的破壞往往是由于薄弱位置的損傷或者破壞開始，這其中表現(xiàn)出來的現(xiàn)象之一就是工程車車架部分位置出現(xiàn)裂紋或變形，所謂的薄弱位置產(chǎn)生的原因也很多，包括材料的劣性和部分特殊位置需要承受更大的荷載。材料的劣性體現(xiàn)在由于人為難以控制的因素，工程車車架的局部位置會由于存在雜質(zhì)、材料的各向異性等造成損傷，而部分特殊位置需要承受更大的荷載則是所有復雜結(jié)構(gòu)都會出現(xiàn)的問題，由于荷載的復雜和結(jié)構(gòu)的連接特性，工程車車架必然會有一部分位置會承受主要的荷載，而材料的劣性和部分特殊位置需要承受更大的荷載導致薄弱位置難以承受內(nèi)外力作用，因此，必須針對薄弱位置，對工程車車架進行預先的模擬分析，從而加強薄弱位置抵抗內(nèi)外力的能力，以免由于薄弱位置的損傷導致工程車車架整體結(jié)構(gòu)的損傷。

3.4 加強對于工程車車架的損傷監(jiān)測

工程車車架的損傷往往不是一蹴而就的，而是經(jīng)過緩慢地積累導致的，尤其是對于工程車車架部分位置出現(xiàn)裂紋或變形這一問題，在工程車的使用過程中，如果通過加強對于工程車車架的損傷監(jiān)測，完全可以發(fā)現(xiàn)潛在的問題。對于工程車車架的損傷監(jiān)測應當從工程車車架是否發(fā)生變形、工程車車架是否出現(xiàn)裂縫或者出現(xiàn)裂縫的數(shù)量和寬度、工程車車架的振動性能是否一致、工程車車架的老化特性等內(nèi)容上出發(fā)，工程車車架是否發(fā)生變形、工程車車架是否出現(xiàn)裂縫或者出現(xiàn)裂縫的數(shù)量和寬度直接關(guān)系著工程車車架的是否能夠完成正常工作的需要，工程車車架的振動性能是否一致關(guān)系著工程車車架是否會出現(xiàn)抖動等情況，而工程車車架的老化特性關(guān)系著工程車車架是否會在特定的時間點上發(fā)生突然性的破壞，因此要對工程車車架的使用壽命進行分析預測。總而言之，工程車車架的損傷監(jiān)測是現(xiàn)有的工程車研究上很少開展的內(nèi)容，但是需要重點對其進行研究。

4 結(jié)語

工程車的安全穩(wěn)定性對工程建設(shè)的意義重大，工程車車架作為工程車的重要部位，需要對其整體結(jié)構(gòu)發(fā)展和優(yōu)化方向進行深化研究，對于工程建設(shè)的發(fā)展和提升有重要意義，本文開展系列研究，主要有以下結(jié)論：

（1）分析了工程車車架整體結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)的問題，包括工程車車架出現(xiàn)抖動、工程車車架部分位置出現(xiàn)裂紋或變形以及工程車車架難以符合工程環(huán)境的需要等內(nèi)容。

（2）分析了工程車車架整體結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向，包括提高工程車車架的材料特性以及改善工程車車架的結(jié)構(gòu)分布。

（3）提出了工程車車架整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的要點，應當從發(fā)展工程車車架的新型材料、控制工程車車架的整體振動性能、加強薄弱位置的抵抗力以及加強對于工程車車架的損傷監(jiān)測幾個方向出發(fā)。