礦用電傳動自卸車轉向節結構分析及優化

戈 超，時維方，張 珂，寧 冉，馮漢隊

（徐州徐工礦山機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

大型礦用電傳動自卸車（簡稱“礦車”）主要用于露天礦山、有色金屬礦山、大型水利工程等，承擔著世界40%的煤、90%的鐵礦的運輸，其載重量已經達到360噸，整車重量超過600噸。礦車工作環境極其惡劣，承受不平路面、重載沖擊、緊急轉彎及制動等極限載荷的聯合交變作用。轉向節為礦車前軸的主要部件，連接懸掛、輪轂和轉向機構，承受路面沖擊載荷、輪胎制動力矩以及轉向力矩，所受載荷情況極其復雜，礦車轉向節折斷事故時有發生。因此對轉向節結構力學特性、可靠性等性能有著極高的要求[1-3]。本文選取礦山作業的幾種典型工況，進行結構有限元分析，對結果進行

分析研究，并引進多段圓弧設計理念優化轉向節根部結構，降低應力集中。

1 轉向節有限元建模

圖1 轉向節三維模型

本文研究對象為某公司載重360噸級電傳動自卸車轉向節，該轉向節一端為軸承安裝軸頭，輪轂通過兩端軸承連接在轉向節上，另一端為油氣懸掛安裝孔和轉向節臂安裝座，中部為四個制動器安裝座。本研究采用pro/E軟件建立轉向節模型，如圖1所示。

針對電傳動自卸車轉向節結構的復雜性，采用四面體網格劃分網格。轉向節的材料為42CrMo優質合金鋼，材料屬性如表1所示。

表1 轉向節材料屬性

2 轉向節結構強度分析

根據礦用電傳動自卸車轉向節實際運行過程中的受力情況，選取三種典型的危險工況進行等效靜力學分析，分別為：

（1）2G工況，自卸車通過不平路面，用2倍動載荷等效車體受力，轉向節主要承受地面的垂向反力；

（2）制動工況，緊急制動時，轉向節承受地面垂向力、縱向反力和輪胎作用的附加力矩；

（3）轉彎工況，自卸車轉彎時，會產生側向慣性力，轉向節受到垂向力、側向反力及由側向力產生的附加力矩。計算載荷時，先根據整車參數計算出輪胎與地面接觸中心處的受力，然后將力和力矩分配到軸承安裝面和力矩中心。

2.1 2G工況

2G工況下前輪胎受力情況如圖2（a）所示，將垂向載荷分配到轉向節兩個軸承安裝面進行有限元分析，轉向節應力云圖如圖2（b）所示。

轉向節最大應力出現在軸承安裝軸根部和懸掛安裝孔前后側面，應力值約為220MPa，對比轉向節材料，其安全系數n=4.2，此時轉向節強度滿足要求。

圖2（a） 2G工況下前輪胎受力圖

圖2（b） 2G工況下轉向節應力云圖

2.2 制動工況

制動工況下前輪胎受力情況如圖3（a）所示，將垂向載荷分配到轉向節兩個軸承安裝面、縱向制動力轉化為前輪中心處的縱向力和彎矩，轉向節應力云圖如圖3（b）所示。轉向節最大應力出現在軸承安裝軸根部和懸掛安裝孔前后側面，應力值約為255MPa，其安全系數n=3.6，此時轉向節強度滿足要求。

圖3(a) 制動工況下前輪胎受力圖 圖3(b) 制動工況下轉向節應力云圖

2.3 轉彎工況

轉彎工況下前輪胎受力情況如圖4（a）所示，車輛左、右前輪將分別受到一對大小不等、方向相同的側向力。轉向節應力云圖如圖4（b）所示。轉向節最大應力出現在軸承安裝軸根部，應力值約為280MPa，其安全系數n=3.3，此時轉向節強度仍滿足要求。

圖4（a） 轉彎工況下前輪胎受力圖

圖4（b） 轉彎工況下轉向節應力云圖

3 轉向節軸根部結構優化

由上一節分析可知，受力最大的區域在轉向節軸根部，存在比較嚴重的應力集中現象。文獻[4]提出，根據橢圓線型階梯軸過渡理論，使用（x/b）n+（（y-a）/a）n=1橢圓方程（式中，x，y為坐標軸，a，b為橢圓短、長軸，n為指數）設計軸肩過渡曲線，可以減小應力集中。本研究對a，b取不同值進行分析，在一定范圍內獲得轉向節軸肩過渡圓弧橢圓曲線的最優解，將原設計R40圓弧優化為a=20，b=100的橢圓線，根部應力降低約15%，根據工程經驗，應力降低15%，其疲勞壽命可提高約1倍。

圖5 轉向節軸肩處橢圓過渡曲線示意圖

圖6 優化后轉向節應力云圖

4 結語

利用有限元方法完成了礦用電傳動自卸車轉向節在三種典型的危險工況下的結構強度計算，分析結果表明：三種危險工況下轉向節所承受的最大應力不超過轉向節材料的屈服強度極限，滿足設計要求，同時還留有一定的余量，即使礦車運行過程中出現短暫的兩種工況同時出現的狀況，也不會超出其強度極限。采用橢圓線型圓弧根部過渡曲線可以顯著降低應力集中，有助于提升轉向節的抗疲勞性能。