论文部分内容阅读
摘 要：随着我国汽车工业的迅速发展，轮式装载机副车架问题层出不穷。本文基于某6t装载机副车架断裂的实例，对副车架断裂问题进行了分析及改进。
关键词：装载机；副车架；断裂问题
引言
副车架作为连接后车架与后驱动桥的连接机构，是装载机上重要的承力部件，但副车架在作业工况恶劣时铰接式装载机副车架结构容易出现焊缝开裂问题。因此，必须对其强度和刚度进行计算，发现致使副车架发生断裂的主要原因，进而对副车架的结构进行优化。
1.副车架断裂实例
目前很多装载机副车架采用焊接结构，焊接节点多，焊缝密集，而副车架工作时要承受复杂的外部冲击力，工况较为恶劣，易产生焊缝开裂甚至断裂失效等问题。某6t装载机副车架原结构如图1（a）所示，主要由驱动桥连接板、副车架支撑板、加强板及贴板组成。各板件焊接在一起，副车架驱动桥连接板采用螺栓与驱动桥进行固定，支撑板用铰接销轴与后车架铰接在一起。该装载机在整机工作1440h时副车架断裂，断裂部位发生在副车架支撑板安装孔处，整个支撑板全部断裂，如图1（b）所示。
2.副车架有限元分析
2.1模型建立
利用UGNX7.5软件建立副车架的三维实体模型，并对实体模型中对模型结构影响不大的特征进行简化处理，然后将实体模型导入到ANSYSWorkbench。板件与板件生成一个Part，不再对焊缝进行单独的建模，公共面用于模拟焊接（网格共节点），板与板之间无渗透、间隙。对板与板之间因相互交接形成的微小面或边可进行适当的调整，用以保证后续网格质量。副车架模型如图2所示。
2.2材料属性
副车架主要是由中厚板焊接而成，其材料为低合金高强度结构钢Q345a，材料属性如表1所示。
2.3网格划分
副车架焊接件为厚板件，根据有限元网格划分相关理论，采用实体单元进行模拟。网格划分选择六面体占优（HexDominant）方法，网格类型以六面体为主，附带有少量的金字塔单元、四面体单元。网格基本尺寸为10mm，数量为47023。
2.4作业工况
装载机是以土石方为工作介质的周期性作业机械，作业工况众多。目前装载机作业工况计算包含以下7种：正载最大插入力工况、正载最大铲掘工况、正载最大插入力和铲掘联合作业工况、偏载最大插入力工况、偏载最大铲掘工况、偏载最大插入和铲掘联合作业工况以及行驶颠簸工况。从理论分析可知，副车架受载荷最大的典型工况发生在正载最大插入力工况，因此选择该工况为典型工况进行计算分析[1]。
2.5载荷与边界条件
2.5.1载荷计算
正载最大插入力工况为：副车架既受到垂直的自身重力，又受后驱动桥产生的水平方向的插入力。后驱动桥产生的插入力的大小以后驱动桥处整机重力产生的摩擦力代替。对于铰接式装载机来说，空载时副车架承受的载荷约占整机重力的50%～55%，满载时约占整机重力的25%～35%。在正载插入工况，一般按空载计算副车架所受重力和插入力。
已知此6t机型整机质量为20000kg，按空载时副车架承受的整机重力的55%计算，副车架处承受的自身重力为107.8kN。
后驱动桥产生的牵引力
F=Gμ=107.8kN×0.7=75.46kN
式中：G 为副车架处所受重力；μ 为地面附着系数，取0.7。
2.5.2有限元实现
（1）副车架桥连接面处施加固定约束，限制其前后、上下等方向的自由度。
（2）在副车架与铰接销接触面处施加机重载荷，载荷类型为轴承力。
（3）副车架安装铰接销端面处施加插入力，作用面为后车架销盘投影面积。
2.6计算结果
最大VonMises应力发生在副车架支撑板圆孔周围，数值为225.47MPa，低于许用应力230MPa，该计算结果满足设计强度要求。为确定边界条件及载荷施加是否与现场使用情况吻合，需对故障进行重新确认[2]。
2.7模型修正
再次对故障装载机进行现场确认，发现副车架与后车架间部分调整垫已磨损脱落，副车架与后车处间隙增大，在作业过程中后桥插入力只作用于副车架一个支撑板上，造成此支撑板受较大作用力。根据实际情况对有限元模型进行调整，即将后桥插入力全部施加在一个支撑板侧面上。重新分析计算，副车架所受应力如图3（a）所示。此种状态下，副车架支撑架圆孔周围最大VonMises应力达到420.1MPa，已远超出材料的屈服极限，与断裂部位一致。在插入力方向上，支撑板的最大位移量为1.8547mm，如图3（b）所示，变形量小于调整垫片的尺寸。因此，调整垫脱落后，插入力会长期作用于单个支撑板上，从而造成副车架的断裂失效。
3.解决措施
造成副车架断裂的主要原因是副车架与后车架间调整垫磨损脱落后导致间隙变大，副车架一个支撑板受插入力，在此过程中，副车架所受應力增大，超出材料的屈服极限，造成副车架支撑板断裂。结合实际情况制定如下解决措施[3]。
（1）改进副车架结构，加强副车架支撑板，将支撑板铰接孔处上、下面加高10mm。调整后副车架总体强度和刚度提高，其应力分析结果如图4（a）所示。单支撑板工况下圆孔周围最大VonMises应力值由420MPa降为271MPa，降幅达35%；两支撑板受力工况下其圆孔周围最大VonMises应力值为由225MPa降为163MPa，降幅达27%，如图4（b）所示。改进后副车架自身的安全系数得到提高。
（2）制作一组耐磨调整垫，选择不同厚度调整垫使副车架与后车架间的装配间隙不大于0.5mm，副车架前后支撑板同时受力。通过以上改进，此6t装载机工作近6000h，再未发生此类断裂问题。
4.结语
综上所述，本文通过对某6t装载机副车架断裂的实例，并应用有限元分析，发现改进后的结构受力情况明显要好于原结构，改进效果明显。同时，增加副车架与后车架的间隙可改善副车架的受力，避免了副车架断裂，提高了其使用寿命。
参考文献：
[1]某车型副车架结构强度与模态分析及结构改进[J].潘宇.机械强度.2017（06）
[2]基于ABAQUS有限元的重型自卸车副车架模态分析[J].杨璐，王许州，于永彬，盛国华.沈阳工业大学学报.2015（05）
[3]蒋明安，周瑞丽，黄碧君.发动机曲轴断裂分析与结构改进[J].成组技术与生产现代化，2016，（2）
关键词：装载机；副车架；断裂问题
引言
副车架作为连接后车架与后驱动桥的连接机构，是装载机上重要的承力部件，但副车架在作业工况恶劣时铰接式装载机副车架结构容易出现焊缝开裂问题。因此，必须对其强度和刚度进行计算，发现致使副车架发生断裂的主要原因，进而对副车架的结构进行优化。
1.副车架断裂实例
目前很多装载机副车架采用焊接结构，焊接节点多，焊缝密集，而副车架工作时要承受复杂的外部冲击力，工况较为恶劣，易产生焊缝开裂甚至断裂失效等问题。某6t装载机副车架原结构如图1（a）所示，主要由驱动桥连接板、副车架支撑板、加强板及贴板组成。各板件焊接在一起，副车架驱动桥连接板采用螺栓与驱动桥进行固定，支撑板用铰接销轴与后车架铰接在一起。该装载机在整机工作1440h时副车架断裂，断裂部位发生在副车架支撑板安装孔处，整个支撑板全部断裂，如图1（b）所示。
2.副车架有限元分析
2.1模型建立
利用UGNX7.5软件建立副车架的三维实体模型，并对实体模型中对模型结构影响不大的特征进行简化处理，然后将实体模型导入到ANSYSWorkbench。板件与板件生成一个Part，不再对焊缝进行单独的建模，公共面用于模拟焊接（网格共节点），板与板之间无渗透、间隙。对板与板之间因相互交接形成的微小面或边可进行适当的调整，用以保证后续网格质量。副车架模型如图2所示。
2.2材料属性
副车架主要是由中厚板焊接而成，其材料为低合金高强度结构钢Q345a，材料属性如表1所示。
2.3网格划分
副车架焊接件为厚板件，根据有限元网格划分相关理论，采用实体单元进行模拟。网格划分选择六面体占优（HexDominant）方法，网格类型以六面体为主，附带有少量的金字塔单元、四面体单元。网格基本尺寸为10mm，数量为47023。
2.4作业工况
装载机是以土石方为工作介质的周期性作业机械，作业工况众多。目前装载机作业工况计算包含以下7种：正载最大插入力工况、正载最大铲掘工况、正载最大插入力和铲掘联合作业工况、偏载最大插入力工况、偏载最大铲掘工况、偏载最大插入和铲掘联合作业工况以及行驶颠簸工况。从理论分析可知，副车架受载荷最大的典型工况发生在正载最大插入力工况，因此选择该工况为典型工况进行计算分析[1]。
2.5载荷与边界条件
2.5.1载荷计算
正载最大插入力工况为：副车架既受到垂直的自身重力，又受后驱动桥产生的水平方向的插入力。后驱动桥产生的插入力的大小以后驱动桥处整机重力产生的摩擦力代替。对于铰接式装载机来说，空载时副车架承受的载荷约占整机重力的50%～55%，满载时约占整机重力的25%～35%。在正载插入工况，一般按空载计算副车架所受重力和插入力。
已知此6t机型整机质量为20000kg，按空载时副车架承受的整机重力的55%计算，副车架处承受的自身重力为107.8kN。
后驱动桥产生的牵引力
F=Gμ=107.8kN×0.7=75.46kN
式中：G 为副车架处所受重力；μ 为地面附着系数，取0.7。
2.5.2有限元实现
（1）副车架桥连接面处施加固定约束，限制其前后、上下等方向的自由度。
（2）在副车架与铰接销接触面处施加机重载荷，载荷类型为轴承力。
（3）副车架安装铰接销端面处施加插入力，作用面为后车架销盘投影面积。
2.6计算结果
最大VonMises应力发生在副车架支撑板圆孔周围，数值为225.47MPa，低于许用应力230MPa，该计算结果满足设计强度要求。为确定边界条件及载荷施加是否与现场使用情况吻合，需对故障进行重新确认[2]。
2.7模型修正
再次对故障装载机进行现场确认，发现副车架与后车架间部分调整垫已磨损脱落，副车架与后车处间隙增大，在作业过程中后桥插入力只作用于副车架一个支撑板上，造成此支撑板受较大作用力。根据实际情况对有限元模型进行调整，即将后桥插入力全部施加在一个支撑板侧面上。重新分析计算，副车架所受应力如图3（a）所示。此种状态下，副车架支撑架圆孔周围最大VonMises应力达到420.1MPa，已远超出材料的屈服极限，与断裂部位一致。在插入力方向上，支撑板的最大位移量为1.8547mm，如图3（b）所示，变形量小于调整垫片的尺寸。因此，调整垫脱落后，插入力会长期作用于单个支撑板上，从而造成副车架的断裂失效。
3.解决措施
造成副车架断裂的主要原因是副车架与后车架间调整垫磨损脱落后导致间隙变大，副车架一个支撑板受插入力，在此过程中，副车架所受應力增大，超出材料的屈服极限，造成副车架支撑板断裂。结合实际情况制定如下解决措施[3]。
（1）改进副车架结构，加强副车架支撑板，将支撑板铰接孔处上、下面加高10mm。调整后副车架总体强度和刚度提高，其应力分析结果如图4（a）所示。单支撑板工况下圆孔周围最大VonMises应力值由420MPa降为271MPa，降幅达35%；两支撑板受力工况下其圆孔周围最大VonMises应力值为由225MPa降为163MPa，降幅达27%，如图4（b）所示。改进后副车架自身的安全系数得到提高。
（2）制作一组耐磨调整垫，选择不同厚度调整垫使副车架与后车架间的装配间隙不大于0.5mm，副车架前后支撑板同时受力。通过以上改进，此6t装载机工作近6000h，再未发生此类断裂问题。
4.结语
综上所述，本文通过对某6t装载机副车架断裂的实例，并应用有限元分析，发现改进后的结构受力情况明显要好于原结构，改进效果明显。同时，增加副车架与后车架的间隙可改善副车架的受力，避免了副车架断裂，提高了其使用寿命。
参考文献：
[1]某车型副车架结构强度与模态分析及结构改进[J].潘宇.机械强度.2017（06）
[2]基于ABAQUS有限元的重型自卸车副车架模态分析[J].杨璐，王许州，于永彬，盛国华.沈阳工业大学学报.2015（05）
[3]蒋明安，周瑞丽，黄碧君.发动机曲轴断裂分析与结构改进[J].成组技术与生产现代化，2016，（2）