路面加速加載設備轉向系統研究 Research on Steering System for Pavement Accelerated Loading Equipment

賈倩JIA Qian 王剛WANG Gang 張鵬ZHANG Peng 管志光GUAN Zhi-guang 張吉衛ZHANG Ji-wei 楊福廣YANG Fu-guang

摘要： 路面加速加載實驗系統，能夠在相對較短的時間里能夠獲取到實際行車載荷對路面的長期破壞效果，數據有效，可靠，能比較真實的模擬實際交通荷載對路面結構的破壞。本文對路面加速加載設備的轉向系統進行設計，并用UG建立三維模型、對關鍵零部件進行了有限元分析。通過一系列的分析計算，本文設計的轉向系統可以在路面加速加載設備上得到較好應用。

Abstract： The pavement accelerated loading experimental system can obtain the long-term damage effect of the actual traffic load on the pavement in a relatively short time. The data are effective and reliable， and can truly simulate the damage of the actual traffic load to the pavement structure. In this paper， the steering system of pavement acceleration loading equipment is designed， the three-dimensional model is established with UG， and the key parts are analyzed by finite element method. Through a series of analysis and calculation， the steering system designed in this paper can be better applied to the road acceleration loading equipment.

關鍵詞： 路面加速加載實驗系統;轉向系統;有限元分析

Key words： pavement accelerated loading experimental system;steering system;finite element method strength analysis

中圖分類號：U416.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0040-02

1? 路面加速加載設備總體結構

路面加速加載試驗設備可以快速模擬車輛在不同道路上的實際運行狀況，檢測路面狀態和試驗參數，分析道路生命周期內的破壞機理。從而分析評估、驗證和改進路面結構設計，改進路面工程模型，改進路面結構、路面材料和施工工藝，提高道路建設的針對性、科學性和有效性。

市場上現有的路面加速加載試驗設備的加載總成主要采用往復式和循環式的碾壓型式。往復式的加速加載輪組一個往復對路面的碾壓只有一次，其結構復雜、效率較低。循環式的加速加載輪組主要是直線電機驅動的鏈板式懸架結構，其結構復雜、可靠性差、傳動效率低、噪聲大。

本設計的加載總成由鏈條、鏈輪、鏈軸節，加載軸，碾壓輪，加載輪構成。加速加載輪組軸線通過鏈軸節與鏈條中心線垂直相交，6段鏈條在鏈輪的作用下帶動鏈軸節和加載軸往循環旋轉，加載軸再帶動碾壓輪回轉，6個路面碾壓輪依次在加載軌道和輪胎變形的作用下對路面進行碾壓實驗，更好地再現車輛實際運行時情況，可使結構簡單、工作可靠、噪音降低，工作效率高。總體結構如圖1所示。設備的動力源是大功率柴油發動機。

加速加載設備長距離運輸依靠牽引車來實現，在工地短距離轉場移動需要有轉向系統。在設備做實驗時轉向系統車輪是不觸碰到地面的，該設備的轉向系統是可以升降的，這必須用到液壓機構。

考慮到路面加速加載設備的特殊性和大型性，所以本文采用的是電控液壓助力轉向系統。本文設計轉向系統在路面加速加載設備的局部放大圖，如圖2所示。

加速加載設備在遠距離運輸過程中，前驅動及轉向總成是不接觸到地面的。在試驗場地牽引車會與加速加載設備系統分離，短距離轉向移動時，系統中的前支腿液壓缸伸長，轉向系統下移動直至轉向輪胎與地面接觸。

當前支腿液壓缸的活塞行程達到最大值時，轉向系統的連接桿也會伴隨著前支腿液壓缸的伸長而轉動，連接板在這個過程中是處于固定的狀態。最后轉系系統的輪胎與地面接觸。

2? 轉向系統的受力分析

本文設計的加載設備裝向系統是由多個零件組成的，考慮到零件的受力分析和應力載荷，所以運用UG對幾個關鍵零件進行有限元進行受力分析。進行有限元分析之前，需要知道加載設備轉向系統的受力情況，進而分析單個零件的受力情況。設備的參數如表1。

運用UG進行有限元分析：

加載設備轉向系統的材料是運用的是Q235。對連接轂進行有限元分析。因為前軸的連接轂有兩個，所以給連接轂所施加的力為150000N，連接轂在總成的位置如圖3。

連接轂的受力分析如圖4、圖5所示。

結論：由圖4、圖5分析的結果得知，連接轂的應力分析是27.95 N/mm2（MPa）遠遠小于Q235材料的許用應力，故連接轂的設計合理。

對連接桿進行有限元分析，連接桿的材料是45號鋼。對固定在連接板的一端賦予固定平移約束的約束，另外一端添加的力為75000N。連接板應力、應變分析如圖6、圖7所示。

結論：由圖6、圖7分析結果得知，連接桿的應力分析結果是517.77N/mm2（MPa），小于45材料的許用應力，故設計合理。

對轉向橫梁進行有限元分析，選擇Q235對應Steel-Rolled材料。施加的力為300000N。轉向橫梁的有限元分析如圖8所示。

結論：由圖8分析得知，轉向橫梁總成的應力是152.84 N/mm2（MPa），符合Q235的許用應力的要求，故轉向橫梁總成的設計合理。

3? 結語

本文運用到功能強大的UG軟件來建立三維模型零件、裝配系統三維總成和進行有限元分析零件的受力。通過整個設備的重量，計算出轉向系統所承受的作用力，從而對轉向系統關鍵部件連接轂、轉向連接桿、轉向橫梁等進行了應力和應變分析，通過有限元分析得出轉向系統關鍵部件是可以達到整個轉向系統的設計要求。

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