D型與雙C型車架材料力學(xué)性能對(duì)比

郭丹輝

摘 要：礦車動(dòng)態(tài)用計(jì)算可以采用D級(jí)路面或者更惡劣的路況進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)模擬，但在礦車眾多構(gòu)件的動(dòng)態(tài)參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確獲得，動(dòng)態(tài)計(jì)算只能作為一種參考，并且用等效靜態(tài)載荷的方式施加，即要在前減振器上施加阻尼力。為了深入分析礦車車架應(yīng)力分布，根據(jù)礦用自卸車設(shè)計(jì)中的分析需求和目前車架分析水平，本文重點(diǎn)對(duì)比D型與雙C型車架材料力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：D型車架材料；雙C型車架；力學(xué)性能；典型工況

中圖分類號(hào)：TG333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

車架的各種等效受載工況，包括典型靜態(tài)工況和極限工況。典型等效靜態(tài)工況包括：滿載靜止、最大加速啟動(dòng)、重載高速緊急制動(dòng)、舉升、急轉(zhuǎn)彎、平路勻速行駛；極限工況包括：考慮動(dòng)荷系數(shù)的勻速滿載行駛、路面不平導(dǎo)致輪胎沉陷或者抬起、下坡制動(dòng)、偏載下坡等工況。因此，礦用車在運(yùn)用過(guò)程中，其車架的受力情況是很復(fù)雜的，基于此，必須重點(diǎn)探討D型與雙C型車架材料力學(xué)性能。

1.對(duì)比D型與雙C型車架有限元模型

1.1 建立有限元模型

為了獲得準(zhǔn)確的車架在各個(gè)工況下的應(yīng)力分布，此次分析建立了礦用自卸車板殼單元有限元模型（shell 181），這種單元類型的有限元模型比梁?jiǎn)卧芨诱鎸?shí)具體地反應(yīng)車架的應(yīng)力分布。殼單元shell 181單元說(shuō)明：Shell 181適用于薄到中等厚度的殼結(jié)構(gòu)。該單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，分別為沿節(jié)點(diǎn)X，Y，Z方向的平動(dòng)及繞節(jié)點(diǎn)X，Y，Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。退化的三角形選項(xiàng)用于網(wǎng)格生成的過(guò)渡單元。Shell 181單元具有應(yīng)力剛化及大變形功能。該單元有強(qiáng)大的非線性功能，并有截面數(shù)據(jù)定義、分析、可視化等功能，還能定義復(fù)合材料多層殼。Shell 181殼單元的截面定義了垂直于殼X-Y平面的形狀。通過(guò)截面命令可以定義Z方向連續(xù)層，每層的厚度、材料、鋪層角及積分點(diǎn)數(shù)都可以不同。

1.2 對(duì)比分析截面的有限元

截取等長(zhǎng)度的部分車架縱梁模型，按照相同的網(wǎng)格密度劃分網(wǎng)格，在模型的兩端施加全約束，中間部位施加相同的集中力，有限元計(jì)算結(jié)果如圖1和圖2所示。

1.3 對(duì)比分析結(jié)果

1.3.1 對(duì)比變形

雙C焊縫結(jié)構(gòu)比雙厚度變形增加12.5%，雙C焊縫結(jié)構(gòu)比D型結(jié)構(gòu)變形增加19.8%；分析其應(yīng)力情況可知，雙C焊縫結(jié)構(gòu)比雙厚度應(yīng)力增加2.9%，雙C焊縫結(jié)構(gòu)比D型結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加26.8%。不論對(duì)比變形還是應(yīng)力最大值，雙C焊縫結(jié)構(gòu)>雙C雙厚度>D型結(jié)構(gòu)。

雙C焊縫結(jié)構(gòu)和雙C雙厚度的材料為510L，屈服極限350MPa，抗拉強(qiáng)度510MPa～630MPa；D型結(jié)構(gòu)的材料為Q460CFD，屈服極460MPa，抗拉強(qiáng)度500MPa～680MPa，從材料上來(lái)說(shuō)，雙C結(jié)構(gòu)都沒(méi)有D型結(jié)構(gòu)使用起來(lái)安全。

1.3.2 對(duì)比慣性矩

雙C焊縫結(jié)構(gòu)和雙厚度的對(duì)比系數(shù)p=雙C焊縫結(jié)構(gòu)最大變形值/雙C雙厚度最大變形值=0.702e-4/0.614e-4=1.14mm；由公式可知，抗彎剛度與Iyy成反比，雙C雙厚度的慣性矩Iyy=0.440e-3；雙C焊縫結(jié)構(gòu)的慣性矩Iyy=雙C雙厚度/對(duì)比系數(shù)=0.385e-3。

D型結(jié)構(gòu)Iyy（0.42e-3）>雙C焊縫結(jié)構(gòu)Iyy（0.385e-3），從截面慣性矩Iyy上來(lái)說(shuō)，實(shí)際應(yīng)用的雙C焊縫結(jié)構(gòu)沒(méi)有D型結(jié)構(gòu)使用起來(lái)安全。

2.對(duì)比D型與雙C型車架材料力學(xué)法計(jì)算結(jié)果

2.1 力學(xué)模型簡(jiǎn)化及彎矩圖

將車架作如下簡(jiǎn)化為如圖3所示的形式，A為前橋中心，B為后橋平衡軸位置中心，C為車架尾部后銷軸。F1為車架上表面施加的集中載荷主要為發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、舉升油缸和油箱自重，大小為總重的一半11320N，其中F2-F6為橡膠墊上的均布力，各為146226N，F(xiàn)7為后銷軸承擔(dān)的載荷151872N。

2.2 分析結(jié)果

2.2.1 D型梁車架的最大彎矩

D型截面慣性矩為0.42，D型截面的抗彎模量為1.71，由彎曲應(yīng)力計(jì)算公式可得224.5MPa，位于后橋平衡軸中心位置。

2.2.2 雙C型車架的最大彎矩

雙C型截面慣性矩為0.44，考慮到焊縫對(duì)截面慣性矩的影響，雙C焊縫結(jié)構(gòu)的慣性矩Iyy=雙C雙厚度/對(duì)比系數(shù)=0.385 e-3。雙C型截面的抗彎模量為1.57，由彎曲應(yīng)力計(jì)算公式可得244.6MPa，位于后橋平衡軸中心位置。

2.2.3 結(jié)果

經(jīng)上述分析可得，D型梁車架的抗彎截面系數(shù)比雙C焊縫結(jié)構(gòu)車架要大。建議最終版車架結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能不要低于原結(jié)構(gòu)，即性能要不低于Q460CFD。

3.雙C型車架前板簧后座圓孔力學(xué)性能

將雙C車架兩處結(jié)構(gòu)改變進(jìn)行了有限元分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。改變?nèi)缦拢?.3652模型前板簧后支座開(kāi)孔處前移135mm，3652-2模型開(kāi)孔與后支座對(duì)中；3652-2模型車架中取消了小三角板處的第六個(gè)減重孔，在原開(kāi)孔處加10mm厚的槽型橫梁。在舉升工況中，前板簧后座圓孔前移和對(duì)中，車架立板處應(yīng)力分布帶變化隨孔位置的改變而遷移，最大值相近，對(duì)中后有加強(qiáng)環(huán)比無(wú)加強(qiáng)環(huán)最大應(yīng)力明顯降低；車架下表面處對(duì)中比前移應(yīng)力最大值略有降低。中橋處加槽型橫梁在該工況影響了大三角板及其附近的應(yīng)力分布，應(yīng)力值增大5%。

結(jié)語(yǔ)

XGQ3650系列非公路自卸車廣泛應(yīng)用于大型露天煤礦、鐵礦、銅礦等礦山、港口、碼頭、鋼廠、水利工程等大型工程、基礎(chǔ)建設(shè)等場(chǎng)地的礦石土方運(yùn)輸及水利工程、坑基開(kāi)挖作業(yè)等，其車架是關(guān)鍵部件，在裝載、運(yùn)輸、卸載中承受主要的載荷。車架的優(yōu)劣直接影響著整車的使用壽命，同時(shí)反映了整車的技術(shù)水平。因此，在改造過(guò)程中，應(yīng)全面對(duì)比了解D型與雙C型車架材料力學(xué)性能，確保車架整體改進(jìn)的科學(xué)性。

參考文獻(xiàn)

[1]李賀軍，陶珺，姚棟嘉，等.預(yù)炭層對(duì)ZrC浸漬C/C復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響[J].新型炭材料，2015，23（4）：372-376，377.