潮間帶運輸車動力模塊車架結構設計與分析

劉 劍，張三川，寇華鵬

（1.鄭州大學 機械工程學院，鄭州 450001；2.鄭州新大方重工科技有限公司，鄭州 450064）

潮間帶運輸車動力模塊車架結構設計與分析

劉 劍1,2，張三川1，寇華鵬1

（1.鄭州大學 機械工程學院，鄭州 450001；2.鄭州新大方重工科技有限公司，鄭州 450064）

在潮間帶區域建造風電場涉及機組部件運輸、地基建設和風機安裝三大難題，其中首當其沖的

就是運輸問題。針對傳統的大型船只和陸地重型車輛均無法到達工場的實際，提出設計了一種基于動力模塊并車構造的多履帶潮間帶運輸車，并運用SolidWorks和ANSYS軟件對動力模塊車架建模和靜力分析，結果表明：車架彎曲、扭轉工況下的應力、變形分布云圖顯示所設計的運輸車車架的強度和剛度符合技術要求，可以滿足潮間帶風電場運輸需要。

潮間帶運輸車；車架結構；有限元仿真

0　引言

潮間帶主要指沿海大潮期的最高潮位與最低潮位之間的潮浸地帶，隨潮汐漲落而被淹沒和露出水面的海域（俗稱“灘涂”），以黏土質粉砂為主的潮灘沉積是其典型地質特征[1]，且含水量多，液化程度高，地耐力很低，而采用筑路則工程量巨大[2]。因此在無法采用輪式載重車輛運輸的前提下，三一電氣[3]采用四組平行長履帶和行走部上方獨立浮箱相結合的設計，實現履帶著地行走和較深潮池區域的浮箱船行，但整車體積龐大，自身從制造企業到施工現場的運輸也存在極大問題。鄭州新大方[4]則采用四條短履帶成組的緊湊設計，并把履帶架直接設計成為浮箱結構。本論文擬在文獻[4]的基礎上，將其改造設計為動力模塊，通過并車手段形成可承擔塔筒、葉片等大型部件轉運的潮間帶運輸車的構型，然后著重對動力模塊車架強度、剛度進行仿真分析和輕量化。

1　潮間帶運輸車構型與車架建模

1.1潮間帶運輸車構型

圖1為六個動力模塊并車構造的潮間帶運輸車，額定承載重量120噸，其頂層為運載平臺，底層為動力模塊。動力模塊又分為二層，下層為履帶行走部總成、上層為底盤總成，（車架、懸架、動力），每個動力模塊底盤車架上加裝駕駛室后可以獨立進行物料運輸，動力模塊構造如圖2所示，1為駕駛室（并車時一般可只保留1～2個），2為履帶行走部總成、3為底盤總成，4為動力系統置于動力模塊的后端。

圖1　潮間帶運輸車構造

圖2　動力模塊構造

1.2動力模塊車架結構與建模

圖3為動力單元車架結構，采用前懸架上方的A點，后懸架前段上方的B及C等三支撐點簡支結構，能夠很好的適應復雜路面工況，保證每個著力點與地面接觸。后懸掛在B、C兩點的下方與車架鉸接，而在外側端部處空氣彈簧與車架尾梁聯接。

圖3　動力模塊車架結構

車架由兩根焊接而成的箱形縱邊梁和數根橫梁構成。

為減少橫梁根數，駕駛室托架、前懸架前端與車架連接處共用橫梁Ⅰ，前懸架后端與車架連接處至少采用兩根橫梁，其中一根橫梁加寬，且用多個小肋板增強；動力總成放置處，共設置三根橫梁，除尾梁Ⅶ（通過連架桿連接后懸架、支承動力總成）外，一根橫梁主要起支承功能，另一橫梁在支承動力總成的同時與尾梁一起聯接后懸架。由此構造出七根橫梁和兩根縱梁的履帶式車架。

車架采用冷沖壓成形和焊接制造，故車架材料應具有較高的屈服強度和良好的冷沖壓性能，以及良好的可焊接性和較低的應力集中敏感性，綜合考慮初步選取車架材料選擇為Q235B[5,6]。車架的材料特性如表1所示。

表1　車架的材料特性

應用SolidWorks軟件建立車架三維模型，并導入ANSYS workbench軟件生成的有限元模型如圖4所示。車架單元類型選為SOLID185，采用自動劃分法劃分網格，即幾何體不規則時采用四面體網格劃分，規則時采用六面體劃分，劃分后車架模型節點數共566509個，網格數共260387個。車架中的小孔、連桿架等小構件對整體車架的強度和剛度影響不大，在有限元分析時對于網格劃分、計算結果的收斂性及計算時長影響較大，故進行了簡化。

圖4　有限元車架模型

2　分析結果與討論

車架所承受的載荷質量主要為動力總成質量、駕駛室總成質量、貨箱貨物總成質量以及車架自身質量等，其具體參數如表2所示。

表2　車架的各部分質量載荷

2.1滿載彎曲工況

載荷和約束的處理：自重通過建立重力卡片設定重力加速度施加；動力總成、駕駛室總成、箱貨物以均布載荷的形式施加在縱梁或橫梁相應位置的單元上。約束前懸架與車橋相連接處節點所有方向的自由度以及后平衡懸架與車橋相連接處節點所有自由度。

經過有限元靜力學分析計算后，提取車架彎曲工況下的應力分布如圖5(a)所示，變形情況如圖5(b)所示。

圖5　彎曲工況下車架應力與變形云圖

由圖5(a)可知，車架等效應力最小點在尾梁上，最大等效應力位置在第Ⅳ和第Ⅴ橫梁之間的縱梁上，最大等效應力為41.435MPa，遠小于車架的1.5倍安全系數許用應力157MPa[7]。同時車架的最大變形在車架中部，其最大變形量為1.2mm，滿足剛度要求。

2.2滿載扭轉工況

滿載扭轉工況是模擬履帶灘涂運輸車在滿載狀態下，以低速通過崎嶇不平的路面時，車架遭遇最劇烈的扭轉工況，即車軸一側車輪懸空而另一側車輪抬高時的狀況。

載荷和約束處理：載荷的處理同彎曲工況。釋放右后輪車橋與懸架的連接處節點所有自由度，其余約束處理同彎曲工況。

經過有限元計算后，提取車架在扭轉工況下的應力分布情況如圖6(a)所示，位移變形情況如圖6(b)所示。

圖6　扭轉工況下車架應力與變形云圖

由圖6可以看出，車架的等效應力最大點在車架尾梁Ⅶ與左縱梁連接處，等效應力最小點在車架尾梁Ⅶ與右縱梁連接處，車架變形最大點在左縱梁與第Ⅴ根橫梁連接處，最小點在第Ⅰ根橫梁和第Ⅱ橫梁中間的左縱梁上。車架的最大等效應力為94.12MPa，大于彎曲工況下的最大等效應力，但遠小于車架的許用應力157MPa，滿足車架的強度要求。剛度評價指標要求軸間扭轉角小于1°/m[7]，根據軸距轉化為左前輪軸軸端處的位移應小于35.12mm，由圖6知車架的最大變形位移為3.17mm，滿足車架剛度要求。

從上述分析結算結果可見，車架結構的強度及剛度都遠大于規范要求，有進一步做輕量優化的必要。

2.3車架輕量化優化

通過采用高強材料，以重量最輕為目標，對結構材料及部分結構形式進行改進[8,9]：1）車架采用Q345C材料[10]，并進一步減低截面高度和厚度為原厚度的80%；2）適當將前后懸架材料，也更改為Q345C和設置加強筋板。

約束和加載同優化前，優化后車輛總體重量減輕約20%，利用滿載扭轉工況對其進行檢驗，檢驗結果如圖7所示。由圖可知，車架等效應力最大點在車架尾梁與左縱梁連接處，和優化前基本相同，其最大等效應力為211.68MPa，小于車架的1.5倍安全系數許用應力230MPa[7]，滿足車架的強度要求。車架變形最大點在第Ⅵ橫梁和尾梁Ⅶ中間的左縱梁上，相對于優化前有所后移，其最大變形量為5.25mm，滿足車架剛度要求。

圖7　優化后扭轉工況下車架應力與變形云圖

3　結論

潮間帶風電場建設非修筑道路專用履帶運輸車作為其解決塔筒、葉片等大型部件轉運問題的特殊工具，通過對其構型和動力模塊車架的設計與有限元分析，主要結論如下：

1）采用動力模塊并車構造風電大型結構部件在潮間帶區域專用履帶式運輸車，滿足裝備自身運輸要求，

【】【】并可在動力模塊加裝駕駛室而實現獨立運載功能。

2）對動力模塊車架在彎曲及扭轉工況下的強度和剛度采用有限元法靜力學分析，獲得的應力分布云圖和變形分布云圖，最大應力和最大變形量均遠小于許用值，符合傳統重型機械設計要求。

3）采用高強度鋼Q345C進行輕量化優化，按1.5倍安全系數設計車架的最大應力和最大變形仍滿足要求，并可以實現減重20%的工程設計目標。

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Structure design and analysis of the power module frame on the intertidal transporter

LIU Jian1,2, ZHANG San-chuan1, KOU Hua-peng1

TH233

A

1009-0134(2016)07-0109-03

2016-05-04

鄭州市重大科技專項項目（121PZDZX014）

劉劍（1981 -），男，河南鄭州人，工程師，碩士研究生，研究方向為機械工程。