一款罐式危險(xiǎn)品半掛車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算

摘要：半掛車車架按照罐體與車輛的連接方式和承載方式，分為半承載式和承載式罐體兩種形式。半承載式罐式半掛車的車架分為罐體車架與下車架，用于連接行走機(jī)構(gòu)以及承受空載時(shí)的罐體的重量以及滿載時(shí)貨物與罐體的重量。根據(jù)實(shí)際營(yíng)運(yùn)需求分為鋁合金整體式和鋁合金上車架+高強(qiáng)鋼下車架等形式。下車架總成主要由縱梁、橫梁以及墊板連接而成。下車架縱梁主體選用Q345B/T6，下車架橫梁主體選用Q345B/T4，設(shè)計(jì)完成后對(duì)半掛車進(jìn)行簡(jiǎn)化建模分析受力情況以及強(qiáng)度校核分析。

關(guān)鍵詞：專用汽車；罐體；副車架

中圖分類號(hào)：U463.8? 收稿日期：2023-02-24

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.015

1 前言

近年來，危化品罐式運(yùn)輸車在營(yíng)運(yùn)過程中屢屢發(fā)生各類嚴(yán)重交通事故。國家管理部門為了有效規(guī)避因?；饭奘竭\(yùn)輸車導(dǎo)致的交通事故，從源頭上逐步降低此類重大事故的安全隱患，相繼出臺(tái)了多部對(duì)罐式車輛強(qiáng)制性檢驗(yàn)的最新標(biāo)準(zhǔn)，提高了罐式車輛在設(shè)計(jì)、制造、出廠檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。車架是整個(gè)罐式半掛車的重要組成部分，在保障車輛運(yùn)輸過程中的安全和穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。本文對(duì)罐式半掛車車架進(jìn)行深入分析，從車架的材料選擇、結(jié)構(gòu)選型以及綜合的受力計(jì)算分析，確定車架最佳的設(shè)計(jì)形式。

2 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 車架的兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上車架+下車架式的罐式半掛車輛副車架多采用圖1所示的多層梁，為了增強(qiáng)副車架在產(chǎn)品周期的使用壽命，對(duì)下車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)及選材優(yōu)化，形成錳鋼一體式車架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

綜合抗彎模量系數(shù)及整車布局該車架選用不等邊L型材，如圖3所示。

2.2 副車架與罐體、行走機(jī)構(gòu)連接

傳統(tǒng)半掛車車架與罐體均使用焊接成形，車架與行走機(jī)構(gòu)有螺連、焊接、螺連+焊接結(jié)構(gòu)。為確保副車架上部與罐體車架、副車架下部與行走機(jī)構(gòu)之間的可靠連接，對(duì)標(biāo)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)車型以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)車架罐體采用焊接，與行走機(jī)構(gòu)采用焊接+螺連結(jié)構(gòu)[2]。

2.3 副車架主要尺寸設(shè)計(jì)

半掛車的設(shè)計(jì)方法理論認(rèn)為，針對(duì)縱梁設(shè)計(jì)，通常采取簡(jiǎn)化建模，以縱梁在運(yùn)行狀態(tài)下所受彎曲強(qiáng)度的最大值，校核副車架縱梁截面。據(jù)此假設(shè)如下：a.縱梁視為加載在后行走機(jī)構(gòu)、鞍座結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)化支梁；b.空載和滿載時(shí)的載荷均勻分布在縱梁的長(zhǎng)度范圍；c.局部扭轉(zhuǎn)的形變影響微弱不進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)化形變狀態(tài)為僅截面彎曲。

首先建立車架承載結(jié)構(gòu)受力分析模型，用于計(jì)算的車架縱梁不同狀態(tài)下的承載情況，盡管影響承載分析的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，但通過分析簡(jiǎn)化，縱梁主要承受載荷包括垂直方向上的靜載荷和對(duì)稱垂直、斜對(duì)稱的動(dòng)載荷?？梢园芽v梁視為支承在鞍座、后軸上的簡(jiǎn)支梁，進(jìn)行彎曲強(qiáng)度驗(yàn)證。因車架結(jié)構(gòu)為對(duì)稱性分布，運(yùn)動(dòng)橫向方向受力差異小，故可對(duì)其中一側(cè)縱梁，利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證。

根據(jù)一體式車架罐式半掛車強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求以及細(xì)分市場(chǎng)實(shí)際路況下的承載需求，副車架材質(zhì)的選型中，縱梁和貫穿式橫梁、不貫穿式橫梁均采用Q345B，Q345B具有優(yōu)異的力學(xué)性能，如低溫沖擊韌性、冷沖壓強(qiáng)韌性、切削加工性、焊接性能等。Q345B鋼與碳鋼Q235A項(xiàng)目相比，性能優(yōu)勢(shì)明顯，是由主流鋼廠專為汽車大梁設(shè)計(jì)生產(chǎn)的汽車大梁專用鋼，其強(qiáng)度≥470 MPa。側(cè)支梁、邊梁均采用Q235A，屈服點(diǎn)[σ]=235 MPa，伸長(zhǎng)率δ=26%，密度ρ=7.8×10³kg/m³。Q235A亦有較好的韌性、塑性、焊接、冷沖壓性能及良好的強(qiáng)度、冷彎性能。

在設(shè)計(jì)一體式車架危險(xiǎn)品罐式半掛汽車時(shí)，為了提升整車狀態(tài)下的車架強(qiáng)度，貼合受力情況，有效增加使用壽命，采用變截面汽車大梁樣式。車架的長(zhǎng)度大于罐體長(zhǎng)度；寬度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選擇80 mm；車架高度需匹配鵝頸落差、懸掛高度及滿足力學(xué)性能要求，車架高度選為前190 mm，后290 mm，配合內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)板增大縱梁抗彎模量。

尺寸選擇如表1所示。

2.4 副車架的強(qiáng)度計(jì)算校核

鑒于實(shí)際運(yùn)營(yíng)中時(shí)有發(fā)生車架開裂事件，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮車架強(qiáng)度的需求。車架的校核計(jì)算，主要校核的項(xiàng)目包括車架所受彎矩、車架強(qiáng)度、與車架上下方向連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。

2.4.1 額定裝載時(shí)車架受力的計(jì)算

對(duì)車架建模受力情況如圖4所示。罐車在額定滿載狀態(tài)下，各部分參數(shù)如表2所示。

2.4.2 副車架危險(xiǎn)截面確認(rèn)

由經(jīng)驗(yàn)可知，變截面或最大彎矩的位置為縱梁的危險(xiǎn)截面，通過結(jié)構(gòu)圖和計(jì)算可知分別為截面1∶3.48 m、截面2∶4.19 m、截面3∶4.63 m。

2.4.3 副車架強(qiáng)度計(jì)算校核

2.4.4 支座局部應(yīng)力校核

3 結(jié)語

本文主要對(duì)副車架材質(zhì)選用、承載強(qiáng)度進(jìn)行了簡(jiǎn)化建模及校核，車架縱梁選用Q345B/T6，車架橫梁選用Q345B/T4，針對(duì)罐體車架強(qiáng)度、車架的連接支座，分開進(jìn)行簡(jiǎn)化建模并校核車架截面尺寸、上車架、行走機(jī)構(gòu)的連接方式。通過對(duì)車架受力建模分析，計(jì)算建模車架受力剪力、彎矩，確定危險(xiǎn)截面。結(jié)果表明，車架選用材質(zhì)與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完全滿足使用要求，支座局部承受的應(yīng)力強(qiáng)度也滿足要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐達(dá)專用汽車構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M]北京：人民交通出版社，2008.

[2]王建國壓力罐車市場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)[J]汽車與配件，2012（30）：40-41.

[3]王鐸，孫毅理論力學(xué)[M]8版北京：高等教育出版社，2016.

作者簡(jiǎn)介：

王建業(yè)，男，1973年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樯逃闷嚰夹g(shù)。