寬體礦用自卸車前軸氣室支架有限元分析及優化設計

惠鵬，劉琪，劉喜生，曹艷子

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

1 重型礦用自卸車前軸的氣室支架概述

重型礦用自卸車目前廣泛應用在各個礦區，其作業環境惡劣，工況差，不同于一般的載貨車和自卸車，其工況決定整車頻發制動，并且前軸在制動過程中，往往由于質量轉移，負荷增大，所以對于整車來說，前橋的制動系統的可靠性要求應更高，而氣室支架作為制動系統重要的承載件，對其強度和剛度有必要強化設計。

本文通過有限元分析，提出一種顯著減少氣室支架應力以及增加氣室支架剛性的結構方案：支撐面增加支撐筋，背部增加剛性筋。

2 氣室支架優化設計

2.1 建立三維模型

此氣室支架承受氣室反作用力時，氣室的安裝面與固定的安裝面間僅依靠材料本身厚度提供支撐(初步設計)，所以在優化設計時，在固定的安裝面側增加一處支撐筋，同時為了提高支架的剛性，在背部增加一處剛性筋。有限元模型基于Creo 三維幾何模型建立，三維模型如下圖所示：

2.2 約束與載荷

圖2 氣室支架受力及建立有限元模型

約束在氣室支架與安裝面間的6 個螺栓過孔。

加載在氣室支架與氣室的緊固螺母安裝面上。（見圖2）

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F 選取氣室在0.8Mpa 壓力下，穩定輸出推桿力。

F=17200N÷2=8600N

2.3 材料屬性

2.4 有限元模型建立

采用四面體單元劃分實體網格，網格大小4mm，局部網格優化（見圖2）。

2.5 結果分析

從模擬結果來看：

優化后模型相對比優化前，剛性上升2.87 倍。

優化后模型最大拉應力相對比原方案下降48.1%，安全系數上升1.93 倍。

從上述結果來看，優化后氣室支架的可靠性顯著提升。

圖5 優化前、后結果對比分析

3 結論

該優化設計的氣室支架，自2018 年大批量裝配在重型礦用自卸車轉向軸上，截止目前無一起質量問題反饋，并且該結構對鑄造工藝性等無特殊要求，氣室支架重量僅稍有增加，其增加支撐筋和剛性筋的結構可以顯著提升氣室支架的可靠性（剛性提升，應力下降），其設計思路具有廣泛適用性，類似結構均可參照設計。