陳鳴澗，楊振宇，李陸寬，王文迎，劉柏旭

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

壓載掛車(chē)車(chē)架為中央箱形截面梁式，用于運(yùn)輸起重機(jī)配重。目前，壓載掛車(chē)在歐洲得到了廣泛應(yīng)用，因其特殊的車(chē)架形態(tài)非常適合壓載運(yùn)輸，再加上日益繁忙的吊裝作業(yè)需求，以Mammoet、Sarens、Felbermayr為主的各著名吊裝公司爭(zhēng)先搶購(gòu)各種型號(hào)的壓載掛車(chē)。歐洲主要壓載掛車(chē)生產(chǎn)商為德國(guó)的Goldhofer公司和荷蘭的Nooteboom公司，生產(chǎn)的壓載掛車(chē)軸數(shù)為5～8軸、額定載質(zhì)量為40～100 t。

大型起重機(jī)配重塊往往密度較大，單位面積對(duì)載貨臺(tái)的壓力也就偏大，國(guó)內(nèi)一般利用傳統(tǒng)鵝頸式半掛車(chē)來(lái)運(yùn)輸各種型號(hào)的配重塊，其車(chē)架為焊接框架結(jié)構(gòu)，由縱梁、主橫梁、貫穿梁、邊梁以及底板等組成，縱梁為工字鋼[1]。通過(guò)分析以往的關(guān)于鵝頸式半掛車(chē)車(chē)架靜力學(xué)研究案例可以得出，目前導(dǎo)致鵝頸半掛車(chē)車(chē)架開(kāi)裂的主要工況因素是彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況[2]。車(chē)架的最大應(yīng)力基本出現(xiàn)在后懸架處和鵝頸部位，且當(dāng)車(chē)架處于滿載扭轉(zhuǎn)工況下時(shí)，應(yīng)力值最大，會(huì)造成車(chē)架的疲勞斷裂和變形[3]。

車(chē)架是半掛車(chē)的主要承載部件，它能否滿足半掛車(chē)在使用過(guò)程中的強(qiáng)度、剛度及振動(dòng)要求，是衡量半掛車(chē)質(zhì)量的重要指標(biāo)[4]。本文針對(duì)常見(jiàn)實(shí)際工況對(duì)壓載掛車(chē)車(chē)架進(jìn)行靜態(tài)特征分析，通過(guò)研究滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、滿載搓板路工況下車(chē)架應(yīng)力及變形情況，驗(yàn)證其運(yùn)輸起重機(jī)配重時(shí)的強(qiáng)度和剛度,并對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，辨識(shí)車(chē)架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能，分析其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。

1 車(chē)架有限元模型建立

本文研究的壓載掛車(chē)屬于特種運(yùn)輸半掛車(chē)，其車(chē)架為中央箱形截面梁式，載質(zhì)量為45 t。該壓載掛車(chē)車(chē)架主要由一根中央矩形截面主梁、若干三角加強(qiáng)筋和邊梁等結(jié)構(gòu)焊接而成，車(chē)架分為前部的非載貨區(qū)與中、后部的載貨區(qū)，載貨區(qū)可放置配重塊、液壓支腿等機(jī)械部件；非載貨區(qū)可安置壓載箱(通過(guò)增大牽引車(chē)驅(qū)動(dòng)軸軸荷的方式來(lái)增大扭矩，便于坡路運(yùn)輸)。該壓載掛車(chē)車(chē)架非載貨區(qū)底盤(pán)通過(guò)牽引銷(xiāo)與牽引車(chē)的鞍座連接，整車(chē)設(shè)置為五軸載荷模式，車(chē)架的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 車(chē)架主要參數(shù)

壓載掛車(chē)車(chē)架材料采用16Mn低合金結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量為216 000 MPa，泊松比為0.31，密度為7 870 kg/m3，屈服強(qiáng)度為450 MPa。

利用UG建立五軸壓載掛車(chē)車(chē)架的幾何模型，并將其導(dǎo)入HyperMesh中建立有限元模型，導(dǎo)入時(shí)去除載貨區(qū)邊緣的索孔以及車(chē)架中的倒角、圓角以及車(chē)架附屬結(jié)構(gòu)(例如防護(hù)架、工具箱、油箱座等)。本文選擇三維四面體單元對(duì)車(chē)架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將基本單元格大小設(shè)置為60 mm，并對(duì)連接點(diǎn)以及應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，一共劃分出104 198個(gè)有限元單元，最終的車(chē)架有限元模型如圖1所示。

圖1 車(chē)架有限元模型

2 車(chē)架有限元靜力學(xué)分析

本文主要對(duì)壓載掛車(chē)車(chē)架進(jìn)行滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、滿載搓板路3種工況下的有限元靜力學(xué)動(dòng)強(qiáng)度分析，主要分析其正常直線行駛時(shí)的地形適應(yīng)性。

2.1 滿載彎曲工況

車(chē)架需要足夠的彎曲剛度來(lái)保證半掛車(chē)在各種復(fù)雜工況下的整車(chē)工作。彎曲工況指當(dāng)車(chē)輛全部的車(chē)輪與地面接觸并在路況良好的路面上以恒定的速度行駛時(shí)，車(chē)架對(duì)其壓載情況的狀態(tài)響應(yīng)。

約束處理：約束牽引銷(xiāo)局部X,Y軸方向的全部自由度以及Z軸方向的平動(dòng)自由度；所有懸架與車(chē)架接觸處約束X,Y,Z軸方向的平動(dòng)自由度。

載荷處理：在車(chē)架載貨區(qū)中部建立一個(gè)寬度為1 530 mm的平面承受垂直于載貨臺(tái)向下的45 t均布載荷，并使其貫穿整個(gè)載貨區(qū)。車(chē)架在外力作用下原為直線的軸線發(fā)生變形成為曲線，從而能夠模擬配重塊安放在載貨臺(tái)時(shí)重力作用于載貨臺(tái)面的工況，此時(shí)動(dòng)載荷系數(shù)取2。

結(jié)果分析：通過(guò)有限元分析，分別得到圖2、圖3所示車(chē)架彎曲工況下的形變量云圖和應(yīng)力分布云圖。由圖2可知，車(chē)架最大變形量為1.694 mm，位于車(chē)架中后部的兩側(cè)邊梁處，對(duì)于主要壓載部位影響較小。由圖3可知，第一車(chē)橋下方懸架的連接處出現(xiàn)了輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為52.50 MPa，車(chē)架大部分應(yīng)力值小于30 MPa且分布均勻，沒(méi)有發(fā)生應(yīng)力值突變現(xiàn)象，故車(chē)架滿足強(qiáng)度要求，有較高的抗彎剛度。

圖2 滿載彎曲工況形變量云圖

圖3 滿載彎曲工況應(yīng)力云圖

2.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況是半掛車(chē)最危險(xiǎn)的工況之一，當(dāng)車(chē)輛在凹凸不平的道路上行駛時(shí)，若干車(chē)輪抬起或落下，其對(duì)側(cè)車(chē)輪仍與地面接觸，從而使得左右車(chē)輪形成相對(duì)高度差，即車(chē)輛受到非對(duì)稱(chēng)載荷作用，產(chǎn)生靜態(tài)扭轉(zhuǎn)矩，從而使車(chē)架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。

約束處理：約束牽引銷(xiāo)局部X,Y軸方向的全部自由度以及Z軸方向的平動(dòng)自由度；1,3,5車(chē)橋左懸架與車(chē)架接觸處約束X,Y,Z軸方向的平動(dòng)自由度；2,4車(chē)橋右懸架與車(chē)架接觸處約束X,Y,Z軸方向的平動(dòng)自由度。

載荷處理：載荷處理方式與彎曲工況完全相同。

結(jié)果分析：圖4和圖5分別是車(chē)架處于扭轉(zhuǎn)工況下的形變量云圖和應(yīng)力分布云圖。由圖4可知，車(chē)架最大變形為2.03 mm，發(fā)生在車(chē)架左前方的邊梁以及左后方邊梁處。由圖5可知，第一車(chē)橋右側(cè)吊耳處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為92.04 MPa。本壓載掛車(chē)車(chē)架所用材料的屈服強(qiáng)度為450 MPa，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，選取安全系數(shù)為2.5[5]，而扭轉(zhuǎn)工況下的安全系數(shù)為材料的屈服強(qiáng)度除以最大應(yīng)力，即450/92.04=4.89，滿足工況需求，說(shuō)明車(chē)架處于扭轉(zhuǎn)工況時(shí)結(jié)構(gòu)安全。從車(chē)架整體應(yīng)力分布來(lái)看，整體應(yīng)力水平較低，且由于懸架的減震作用，該處的實(shí)際應(yīng)力是小于最大應(yīng)力的，但盡管如此，也應(yīng)盡量避免使車(chē)架長(zhǎng)期在該工況下運(yùn)行，從而延長(zhǎng)車(chē)架使用壽命。

圖4 滿載扭轉(zhuǎn)工況形變量云圖

圖5 滿載扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

2.3 滿載搓板路工況

當(dāng)半掛車(chē)行駛于道路狀況惡劣的山區(qū)路段時(shí)，常常會(huì)處于所謂搓板路工況，此種工況模擬的是車(chē)架在崎嶇路面上行駛時(shí)左右兩側(cè)車(chē)輪同時(shí)抬起或落下的狀態(tài)。

約束處理：約束牽引銷(xiāo)局部X,Y軸方向的全部自由度以及Z軸方向的平動(dòng)自由度；約束1,3,5車(chē)橋左右懸架與車(chē)架接觸處的X,Y,Z軸方向的平動(dòng)自由度。

載荷處理：載荷處理方式與彎曲工況完全相同。

結(jié)果分析：圖6和圖7分別是車(chē)架在搓板路工況下的形變量云圖和應(yīng)力分布云圖。由圖6可知，車(chē)架最大變形為1.95 mm，發(fā)生在車(chē)架中后部?jī)蓚?cè)邊梁處。由圖7可知，第三車(chē)橋兩側(cè)吊耳處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為60.67 MPa，此現(xiàn)象是由于2，4車(chē)橋懸架自由度釋放后車(chē)架載貨臺(tái)下降，使得第三車(chē)橋懸架承受了車(chē)體大部分重力造成的。通過(guò)對(duì)比車(chē)架處于搓板路工況、扭轉(zhuǎn)工況、彎曲工況的形變及應(yīng)力分布情況可以看出，搓板路工況分析結(jié)果綜合了彎曲、扭轉(zhuǎn)工況，其條件相比扭轉(zhuǎn)工況更為極端，更符合國(guó)內(nèi)實(shí)際工況條件，所以車(chē)架有限元分析時(shí)應(yīng)當(dāng)獨(dú)立分析搓板路工況，而不應(yīng)將其歸結(jié)到扭轉(zhuǎn)工況中去，搓板路工況對(duì)于半掛車(chē)車(chē)架在國(guó)內(nèi)工況下的適應(yīng)性研究分析有著極其重要的意義[6]。

圖6 滿載搓板路工況形變量云圖

圖7 滿載搓板路工況應(yīng)力云圖

2.4 車(chē)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施及驗(yàn)算

由工況分析可知，壓載掛車(chē)車(chē)架處于滿載扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，其釋放了自由度的前懸架的對(duì)側(cè)懸架吊耳處易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值為92.04 MPa。針對(duì)此現(xiàn)象，本文采取的改進(jìn)措施為在產(chǎn)生應(yīng)力集中的一側(cè)懸架吊耳處增加如圖8所示的三角加強(qiáng)筋，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行修改和分析，并對(duì)扭轉(zhuǎn)工況重新計(jì)算后，得到該懸架吊耳處的最大應(yīng)力為63.50 MPa。而三角加強(qiáng)筋作為附件，其承受的最大應(yīng)力為127 MPa，有效消除了懸架部位的應(yīng)力集中，減小了最大應(yīng)力值，改進(jìn)后懸架吊耳處的應(yīng)力分布如圖9所示。

圖8 三角加強(qiáng)筋

圖9 改進(jìn)后懸架吊耳處的應(yīng)力分布

3 車(chē)架模態(tài)分析

模態(tài)分析是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型的研究，是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征的一種方法，一般應(yīng)用在工程振動(dòng)領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)壓載掛車(chē)車(chē)架進(jìn)行模態(tài)分析，預(yù)測(cè)車(chē)架結(jié)構(gòu)在某頻段內(nèi)，在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)，從而通過(guò)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以避開(kāi)共振頻率[4]。通過(guò)計(jì)算分析可得車(chē)架前6階模態(tài)頻率為趨近于0，可近似看作剛體模態(tài)，對(duì)模態(tài)分析意義不大。剛體模態(tài)前10階模態(tài)的固有頻率和振型如表2、圖10～圖14所示。

圖14 第15,16階振型

表2 車(chē)架前16階模態(tài)的固有頻率和振型

圖10 第7,8階振型

圖11 第9,10階振型

圖12 第11,12階振型

圖13 第13,14階振型

通過(guò)研究模態(tài)分析結(jié)果可以看出，車(chē)架的振動(dòng)頻率很低,振幅很小，振型主要是垂直彎曲和復(fù)合振動(dòng)。車(chē)架的 7～16 階頻率分布在 6.63～38.42 Hz，且頻率過(guò)渡相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)突變情況。車(chē)輛行駛時(shí)，激勵(lì)源主要來(lái)自于路面和發(fā)動(dòng)機(jī)，一般較好路面的激勵(lì)頻率為20 Hz以下的垂直彎曲，此振動(dòng)對(duì)車(chē)架的影響最為嚴(yán)重。由模態(tài)分析結(jié)果可知，模態(tài)頻率在20 Hz以下的振型無(wú)垂直彎曲，且模態(tài)頻率在 20 Hz 以?xún)?nèi)的僅有 7，8，9 階模態(tài)，其模態(tài)頻率分別為 6.63，11.65，15.86 Hz, 這3階模態(tài)的振幅都很小，因而對(duì)車(chē)架影響較小。車(chē)架部分的固有頻率為10～15 Hz，由表2可知，車(chē)架的1階彎曲和1階扭轉(zhuǎn)頻率均不在此范圍內(nèi)。

依據(jù)上述分析可知，該壓載掛車(chē)車(chē)架正常行駛時(shí)可有效避免共振現(xiàn)象，不會(huì)引起較大振幅，說(shuō)明該壓載掛車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究表明，五軸壓載掛車(chē)相比于國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)鵝頸式半掛車(chē)，在壓載運(yùn)輸方面有明顯優(yōu)勢(shì)。通過(guò)與傳統(tǒng)雙邊梁式半掛車(chē)車(chē)架的有限元分析結(jié)果的對(duì)比可知，壓載掛車(chē)車(chē)架在承受極端載荷情況下變形程度大大降低，且應(yīng)力分布較為均勻，此現(xiàn)象表明中央梁式車(chē)架結(jié)構(gòu)在重型運(yùn)輸狀態(tài)下具有較長(zhǎng)的使用壽命。此外還通過(guò)模態(tài)分析驗(yàn)證了壓載掛車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并確定了車(chē)架振幅較大的位置，有利于對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化。本文的研究結(jié)果對(duì)今后國(guó)內(nèi)重型運(yùn)輸特種半掛車(chē)的研究和發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。