某重型特種車支腿結構的輕量化設計

岳瑩瑩，王合民，劉學斌

泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000

0 引言

起重機、高空作業車、舉高消防車等設備通常設置有支腿，用于保證其在工作中具有足夠的安全性、穩定性，以提高整車抗傾翻的安全系數。支腿通常位于設備底盤的底部兩側，分為水平支腿和垂直支腿[1-2]。

某重型特種車采用3組支腿，主要用于調平和承受設備的全部載荷。作業時，中、后支腿伸展，各個支腿的垂直油缸將整個設備升起，輪胎脫離地面，整個設備完全由支腿支撐且要保持設備底盤水平，方可提高設備的抗傾覆能力。

1 車架調平腿狀態簡介

某重型特種車車架預留3組調平撐腿支架和調平撐腿安裝接口。在支架端頭安裝調平腿，分別位于車架前部、中部和尾部。本文僅以前調平支腿為例進行輕量化分析，以下簡稱調平腿。

調平腿支架主體材料為BS700MCK2鋼板，油缸套材料為ZG270。由與車架連接板、蓋板、前后立板、前后支座加強立板、加強板、支座、支座支撐板、加強板、封板、加強筋、油缸套組成，并預留與抗傾覆腿安裝接口。

2 計算仿真分析

在調平腿支架端頭安裝調平腿，調平腿跨距為2 880 mm。調平腿支架與車架縱梁通過螺栓緊固連接約束。通過Pro-E 三維軟件建模，建立調平腿結構三維模型，其質量為478 kg，如圖1所示。

圖1 調平腿模型

調平腿工作過程中支撐腿受到外部載荷分析，總共承受546 kN的垂直載荷和85 kN的水平載荷。對支撐腿與車架連接模型進行ANSYS Workbench仿真計算分析。仿真加載示意如圖2所示。

圖2 仿真加載示意

調平腿最大受力工況應力云圖如圖3所示。由圖可以看出，現有結構可以很好地滿足支撐腿工作狀態的要求。同時由于車輛整備質量超出指標要求，需要進行輕量化設計。由圖3還可以看出，調平腿最大應力為121.42 MPa，BS700MCK2鋼板屈服強度為685 MPa，計算安全系數為5.6，遠大于許用安全系數1.3。調平腿結構強度過剩，可以在保證強度的條件下進行輕量化設計[3-4]。

圖3 調平腿最大受力工況應力云圖

3 輕量化措施及驗證

3.1 輕量化措施

對調平腿進行結構輕量化改進，在保證安裝接口、設備接口不變的情況下，對調平腿結構進行整體優化。改進后調平腿材料不變，主要改進措施如下：

(1)減小支腿截面尺寸。支腿立板高度由889 mm改為473 mm，油缸套高度由350 mm改為230 mm。

(2)優化支腿形狀。油缸套內壁開直徑為φ225 mm、深度為195 mm的減重孔；外側油缸套倒150°×90°的斜角；內側油缸套壁上開160 mm×104 mm的減重孔。

(3)優化支腿材料。支腿立板、封板、支腿與車架連接板采用高強度材料BS700MCK2，支腿立板、封板厚度由8 mm改為6 mm；支腿與車架連接板厚度由14 mm改為10 mm。

優化后調平腿模型如圖4所示。優化后的調平腿質量為291.5 kg，減輕了186.5 kg。

圖4 優化后調平腿模型

3.2 優化分析

經三維模型設計并進行ANSYS Workbench仿真分析，可以看出調平腿最大應力為241.79 MPa，小于BS700MCK2鋼板屈服強度685 MPa；計算安全系數為2.83，大于BS700MCK2鋼板許用安全系數1.3。滿足設計使用要求。優化后調平腿最大受力工況應力云圖如圖5所示。該優化改進對抗傾覆工況下調平腿的載荷分布和車架的變形有影響。

圖5 優化后調平腿最大受力工況應力云圖

4 抗傾覆試驗

為驗證ANSYSworkbench仿真軟件計算結果的準確性及輕量化改進對抗傾覆工況下調平腿的載荷分布和車架變形的影響。對改進前、后的調平腿進行抗傾覆工況試驗。通過車架有限元分析，定位應力測試點，依據試驗要求進行測試驗證，對試驗發現的焊接缺陷立即整改，確保產品符合設計要求。測試點的選取原則有：選擇表面平整，形狀規則的區域，便于打磨和貼片；不能影響到正常的設備運轉；保證整個試驗設備運轉過程不會對試驗設備造成損傷；有對稱結構的選點也要對稱，這樣可以提高測量結果的客觀性；避開焊縫、連接、孔軸等在有限元模型中簡化的區域；在器材和時間等條件允許的情況下，盡量增加測試點的數量，可以增加對比的準確性[5-6]。應變片測試點位置如圖6所示。

調平腿展開工作時，在調平腿接口處安裝工裝油缸，在油缸下部位置安裝壓力傳感器，并使用稱重儀記錄支腿完全落在稱重儀上平面的承重值。對車架加載并測量支腿垂向載荷和應力，之后對支腿優化前后抗傾覆試驗結果和有限元分析結果進行對比，詳見表1。

表1 支腿優化前后抗傾覆試驗結果與有限元分析結果對比

經抗傾覆試驗結果對比分析，測試結果與ANSYS Workbench計算結果一致，說明ANSYS Workbench有限元計算結果數據可靠，可作為結構輕量化計算依據。

5 結束語

本文以某重型特種車調平腿設計超重、載荷過飽和作為切入點，對調平腿結構進行仿真計算，借助ANSYS Workbench軟件進行仿真計算分析，對調平腿結構進行輕量化改進。經過結構和材料優化，調平腿質量由478.0 kg減少至291.5 kg，減輕比例達到了39%，滿足設計要求。同時通過傾覆試驗驗證了優化后調平腿的有限元模型具有較高的準確度，此次的優化設計達到了預先的優化效果，滿足安全系數使用要求。輕量化后的調平腿結構滿足設計使用要求，保證了車輛調平過程的使用安全，同時為其他類似結構輕量化設計提供了思路。