■趙杜超　宮玉龍　王永政

〔山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司研發(fā)中心，濟(jì)南250032〕

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4MZ-3A型采棉機(jī)縱梁強(qiáng)度淺析

■趙杜超宮玉龍王永政

〔山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司研發(fā)中心，濟(jì)南250032〕

一、引言

4MZ-3A型采棉機(jī)縱梁是整個(gè)車輛的承載脊梁，前后橋等各重要部件都連接其上，縱梁承受著整車負(fù)重，驅(qū)動(dòng)力的傳遞也是通過縱梁來傳達(dá)到整個(gè)車身的?？v梁是否滿足強(qiáng)度要求，涉及到采棉機(jī)能否安全持久順利地開展采摘工作，與經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)。本文對(duì)采棉機(jī)縱梁進(jìn)行正應(yīng)力和切應(yīng)力的強(qiáng)度校核，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。

二、縱梁及前后橋靜載荷受力分析

（一）縱梁——前后橋整備靜載荷模型建立

據(jù)采棉機(jī)各零部件自重及其與縱梁和車體的連接位置和連接方式，現(xiàn)擬建立縱梁——前后橋整備靜載荷模型，縱梁左端面與前橋輪轂中心重合。以縱梁左端面為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立坐標(biāo)（如圖1所示），抽取參數(shù)如下：

圖1　坐標(biāo)參數(shù)

F1：采頭及采頭支架總重力為3.5×104N（本文中重力加速度g全部取10m·s-2），坐標(biāo)（x，y）=（-1.8，0）。

F2：駕駛室、駕駛室托盤、風(fēng)管總成、洗滌劑箱整備及液力傳動(dòng)油箱整備總重力為2×104N，坐標(biāo)（x，y）=（0，0）。

F3：前橋（驅(qū)動(dòng)橋）及前橋支架總重力為104N，力作用點(diǎn)為A點(diǎn)，坐標(biāo)（x，y）=（0，0）。

F6：后橋（轉(zhuǎn)向橋）及后橋支架總重力為0.5×104N，力作用點(diǎn)為B點(diǎn)，坐標(biāo)（x，y）=（4.1，0）。

（二）模型的靜載荷受力整合分析

對(duì)模型進(jìn)行靜載荷受力分析，得出地面對(duì)前后橋的支持力，以及前后橋?qū)v梁的支持力。

1.研究F1。

FA1、FB1分別為前后橋相應(yīng)于F1對(duì)地面產(chǎn)生的作用力。

2.研究F2。

相應(yīng)于F2，前橋?qū)Φ孛娴恼龎毫A2=2×104N，后橋?qū)Φ孛娴淖饔昧B2=0。

3.研究F3。

相應(yīng)于F3，前橋?qū)Φ孛娴恼龎毫A3=104N，后橋?qū)Φ孛娴淖饔昧B3=0。

4.研究F4。

FA4、FB4分別為前后橋相應(yīng)于F4對(duì)地面產(chǎn)生的作用力。

5.研究F5。

FA5、FB5分別為前后橋相應(yīng)于F5對(duì)地面產(chǎn)生的作用力。

6.研究F6。

相應(yīng)于F6，前橋?qū)Φ孛娴淖饔昧A6=0，后橋?qū)Φ孛娴恼龎毫B6=0.5×104N。

7.研究F7。

FA7、FA8分別為前后橋相應(yīng)于F7對(duì)地面產(chǎn)生的作用力。

8.研究F8。

FA8、FB8分別為前后橋相應(yīng)于F8對(duì)地面產(chǎn)生的作用力。

整合分析結(jié)果：前橋（A點(diǎn)）對(duì)地面的作用力FA= FA1+FA2+...+FA8=9.91×104N，后橋（B點(diǎn)）對(duì)地面的作用力FB=FB1+FB2+...+FB8=3.89×104N。

以上計(jì)算結(jié)果，基本與地磅實(shí)測(cè)前橋整備靜載荷10t，后橋整備靜載荷4t的情況相吻合，繼而與各靜載荷參數(shù)的采納和靜梁模型的建立合理性相左。下文中的計(jì)算涉及到采棉機(jī)總質(zhì)量的全部按質(zhì)量m=（F1+F2+...+F8）/g=13789.44kg取值。

鑒于F3、F6沒有作用于縱梁之上，前橋?qū)v梁的支持力FRα=8.91×104N，后橋?qū)v梁的支持力FRβ=3.39×104N。

三、正常工況下的縱梁強(qiáng)度校核

在整車扭矩輸出最大的工況下，根據(jù)縱梁所受動(dòng)載荷的彎曲正應(yīng)力σd以及保持整車加速度a0時(shí)所通過危險(xiǎn)面的最大拉應(yīng)力σ拉這兩者的合應(yīng)力，校核危險(xiǎn)面的正應(yīng)力強(qiáng)度。同時(shí)，根據(jù)縱梁所受動(dòng)載荷的彎曲切應(yīng)力τd，校核危險(xiǎn)面的切應(yīng)力強(qiáng)度。

（一）計(jì)算危險(xiǎn)面動(dòng)載荷彎曲正應(yīng)力σd與彎曲切應(yīng)力τd

1.計(jì)算動(dòng)荷因數(shù)Kd。

2.計(jì)算危險(xiǎn)面靜載荷彎曲正應(yīng)力σst與彎曲切應(yīng)力τst。

設(shè)x為縱梁截面橫坐標(biāo)，則有縱梁左端點(diǎn)x=0，右端點(diǎn)x=5.4。

當(dāng)x∈［0，0.7］時(shí)：

根據(jù)以上方程繪制模型彎矩圖（如圖2所示）。

結(jié)合采棉機(jī)車身實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，知當(dāng)x∈［0.45，0.5］時(shí)，縱梁沒有空間輔梁，為最危險(xiǎn)截面。自彎矩圖可知，當(dāng)x=0.45時(shí)，縱梁存在靜載荷彎矩值：

圖2　模型彎矩圖

3.靜載荷應(yīng)力與動(dòng)載荷應(yīng)力的換算

動(dòng)荷彎曲正應(yīng)力σd=Kdσst=1.3×184.1=239.33 MPa

動(dòng)荷彎曲切應(yīng)力τd=Kdτst=1.3×7.55=9.815MPa

（二）計(jì)算相應(yīng)于加速度a0通過危險(xiǎn)面的拉應(yīng)力σ拉

根據(jù)采棉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速達(dá)1500r/m時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩T0=908N·m。

采棉機(jī)液力傳動(dòng)系統(tǒng)最高傳動(dòng)比i1=1.27，機(jī)械效率ηm1=95%，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)（分動(dòng)箱和驅(qū)動(dòng)橋）最高傳動(dòng)比i2=95.78，機(jī)械效率ηm2=87%，驅(qū)動(dòng)輪半徑R =0.92m。于是得到：

野外土地對(duì)車輪的滾動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.05［5］，采棉機(jī)受到的總滾動(dòng)摩擦阻力f0=μmg=0.05×13789.44 ×10m·s-2=6894.72N。

已知縱梁x=0.45處為危險(xiǎn)面，計(jì)算得該危險(xiǎn)面至車尾部分的車體質(zhì)量m1=7265.32kg，后橋兩從動(dòng)轉(zhuǎn)向輪受到的滾動(dòng)摩擦阻力f1=μFB=0.05×3.89×104=1945N。

設(shè)相應(yīng)于加速度a0，通過危險(xiǎn)面對(duì)車體m1的拉力為F拉，則有：

代入各參數(shù)值，F(xiàn)拉≈46409.05N

相應(yīng)于加速度a0，通過危險(xiǎn)面產(chǎn)生的拉應(yīng)力：σ拉

（三）實(shí)際應(yīng)力與許用應(yīng)力的比較與結(jié)論

1.縱梁危險(xiǎn)面的實(shí)際應(yīng)力。

縱梁危險(xiǎn)面正應(yīng)力σ=σd+σ拉=239.33+6.9 =246.23MPa

縱梁危險(xiǎn)面切應(yīng)力τ=τd=9.815MPa

2.縱梁疲勞安全系數(shù)。

對(duì)于非規(guī)律性的不穩(wěn)定變應(yīng)力，其變應(yīng)力參數(shù)的變化受到很多偶然因素的影響，是隨機(jī)變化的。像本文研究的縱梁在正常工況下，作用在它上面的載荷和應(yīng)力大小，要受到行車速度、輪胎充氣程度、路面狀況以及駕駛員的技術(shù)水平等一系列因素的影響。對(duì)此，目前尚無系統(tǒng)的計(jì)算方法統(tǒng)籌歸納其疲勞極限。這里，筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取縱梁的正應(yīng)力疲勞安全系數(shù)Sca=1.4，剪切力疲勞安全系數(shù)Sca′=1.6。

3.4MZ-3A型采棉機(jī)縱梁的許用應(yīng)力。

4.應(yīng)力比較與結(jié)論。

σ＜［σ］且τ＜［τ］，符合材料的使用要求。

四、總結(jié)

本文通過建立縱梁——前后橋整備靜載荷模型，分析計(jì)算采棉機(jī)縱梁在正常工況下的實(shí)際應(yīng)力，通過與材料Q345-A的許用應(yīng)力進(jìn)行比較，認(rèn)為Q345-A可以滿足縱梁的力學(xué)性能要求，得出4MZ-3A型采棉機(jī)縱梁強(qiáng)度符合正常工況要求的結(jié)論。

［1］GB/T1591-2008，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼［S］.

［2］黃立葵，盛燦花.車輛動(dòng)荷系數(shù)與路面平整度的關(guān)系［J］.公路交通科技，2006，23（3）：27-30.

［3］聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.☆