鉸接式運(yùn)輸車鉸接銷軸斷裂仿真分析以及改進(jìn)措施

周樹清 王力彬

1.中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北省武漢市 430000 2.航天重型工程裝備有限公司 湖北省孝感市 430000

鉸接式運(yùn)輸車是煤礦井下開采等領(lǐng)域所使用的特殊裝備，由于工作環(huán)境復(fù)雜及行駛路況惡劣，鉸接式運(yùn)輸車通常承受著來自地面的交變載荷的作用，而這種交變載荷對車架強(qiáng)度影響較大，往往會引起一系列的疲勞強(qiáng)度問題[1]。由于客戶對鉸接運(yùn)輸車的可靠性和安全性要求的提高，車輛零部件的強(qiáng)度已成為鉸接市運(yùn)輸車產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標(biāo)。本文以航天重工研制的鉸接式材料運(yùn)輸車為分析對象，如圖1所示。

圖1 航天重工無軌膠輪鉸接式運(yùn)輸車

1 問題提出

鉸接式運(yùn)輸車的鉸接機(jī)構(gòu)作為前后車架的連接部位（圖2所示），對整車的正常運(yùn)行起著決定性的作用，除實現(xiàn)整車的轉(zhuǎn)向功能外，還傳遞地面、前后車體之間沖擊、彎矩、扭轉(zhuǎn)等載荷，通過在鉸接機(jī)構(gòu)與車架之間設(shè)置圓柱型回轉(zhuǎn)軸（圖3所示），使前后車體可以繞圓柱中心軸轉(zhuǎn)動，從而降低對車架抗扭能力的要求，增強(qiáng)對惡劣路況的適應(yīng)性和通過能力，實際運(yùn)行過程中，鉸接機(jī)構(gòu)同時承受著來自地面的沖擊、彎矩和扭轉(zhuǎn)等多種交變載荷，是整車受力最為惡劣的部位，很容易發(fā)生斷裂等問題。

圖4為該運(yùn)輸車在某煤礦工作過程中，鉸接銷軸處發(fā)生斷裂的現(xiàn)場照片。

2 分析計算

2.1 線性疲勞累積損傷理論

Palmgmn-Miner[2]線性累積損傷理論將疲勞損傷D定義為使用應(yīng)力下的循環(huán)次數(shù)n與該應(yīng)力下材料疲勞壽命N的比：

圖2 鉸接式車架二維圖

認(rèn)為在多級不同應(yīng)力幅值作用下，疲勞破壞發(fā)生時有：

圖3 鉸接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式

圖4 礦區(qū)運(yùn)輸車車架鉸接銷軸開裂圖片

其中，ni為第i級應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)；Ni為第i級應(yīng)力水平下的疲勞壽命。

2.2 Abaqus仿真分析

鉸接座銷軸材料為Q550，屈服強(qiáng)度大約在550MPa左右，抗拉強(qiáng)度大約在700MPa左右，根據(jù)銷軸的材料性能參數(shù)，可以反推，使鉸接座發(fā)生短期斷裂的載荷大約為F=50000N，M=50000Nm，在此載荷下鉸接座原狀態(tài)下的受力及分析結(jié)果如圖5所示，由應(yīng)力云圖可以看到，原狀態(tài)的鉸接座根部應(yīng)力大約在560MPa左右，故存在較大開裂風(fēng)險。

2.3 優(yōu)化模型及強(qiáng)度分析

根據(jù)原模型分析結(jié)果，原狀態(tài)下的鉸接座支耳底板厚度為40mm，銷軸厚70mm，不同厚度的底板與銷軸連接，銷軸根部應(yīng)力會發(fā)生很大變化，即底板剛度與銷軸剛度匹配要合理，否則會使銷軸根部有大應(yīng)力，據(jù)此，將鉸接座支耳底板厚度改為70mm，另外銷軸與底板連接根部圓角大小影響應(yīng)力集中系數(shù)，需要將根部圓角放大，據(jù)此，將鉸接座銷軸根部改成大錐面兩端圓角結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，計算載荷為F=50000N，M=50000Nm，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)及計算結(jié)果如圖6所示，由應(yīng)力云圖可以看到，同樣載荷下，鉸接座根部應(yīng)力只有230MPa，相對原結(jié)構(gòu)根部應(yīng)力改善明顯，說明增加支耳底板厚度及增大根部倒角可以明顯改善此類結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，減小應(yīng)力集中。

圖5 鉸接座原結(jié)構(gòu)受力及仿真分析結(jié)果

圖6 優(yōu)化后鉸接座受力和仿真分析結(jié)果

3 整車應(yīng)力應(yīng)變試驗

基于優(yōu)化后的鉸接座結(jié)構(gòu)，進(jìn)行整車應(yīng)力應(yīng)變試驗，工況包括滿載行駛、滿載啟動剎車、滿載轉(zhuǎn)向、滿載不同速度過坑、滿載不同速度過坎、空載不同速度過坑、空載不同速度過坎及舉升等，由測試結(jié)果計算出各工況下鉸接銷軸根部測點應(yīng)力如表1、表2所示，表中1、2號測點為鉸接座根部測點，可看到，正常工況下鉸接座根部應(yīng)力變化很小，基本可忽略不計，但是在過坑過坎工況下鉸接座根部應(yīng)力有明顯變化，尤其在空載過坑試驗下，鉸接座根部應(yīng)力最大，圖7為空載5km/h、10km/h、15km/h過坑試驗2號測點應(yīng)力曲線，15km/h時測點應(yīng)力在120MPa，由仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)對比，推得根部最大實際應(yīng)力在185MPa左右，安全系數(shù)較高。

通過應(yīng)力應(yīng)變試驗，可以得到以下結(jié)論：（1）優(yōu)化改進(jìn)后的鉸接座根部應(yīng)力不大，改進(jìn)效果顯著，可以滿足惡劣工況的使用要求；（2）原狀態(tài)下的鉸接座斷裂原因為空載高速過坑工況。

4 結(jié)論

利用CAE仿真軟件Abaqus分析，明確了銷軸發(fā)生斷裂的原因，通過優(yōu)化銷軸結(jié)構(gòu)，放大R角，同時增大底板料厚（由40mm增大至70mm），以減小應(yīng)力集中，改進(jìn)方案通過仿真計算及應(yīng)力應(yīng)變試驗驗證，鉸接座根部應(yīng)力改善明顯，改進(jìn)措施有效。

在后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計中，首先要對產(chǎn)品使用環(huán)境考慮周全，對各種使用工況要有個清晰明了的認(rèn)識，明確危險工況，并對其分析透徹，應(yīng)力集中對構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度影響極大[3]，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面要仔細(xì)把關(guān)，集思廣益，盡量避免應(yīng)力集中，把每一個結(jié)構(gòu)件都做到最優(yōu)化。

表1 不同工況下測點應(yīng)力值（單位：Mpa）