車架模塊化加載技術研究

劉慧芬 張曉強 郭紅輝 崔衛(wèi)國 李 青 陳 霞 王江勇

（山西航天清華裝備有限責任公司，長治046012）

1 引言

車架總成作為型號產(chǎn)品的關鍵部件，需要在制造完成后進行加載試驗，考核在模擬工況下車架的強度、剛度、焊接質(zhì)量、螺栓連接強度等性能是否滿足設計要求，檢驗車架設計和生產(chǎn)的質(zhì)量。

此類加載試驗較普通加載試驗跨度更長，加載力更大。因此，需要設計橫梁、立柱、平臺，結合車間地錨，實現(xiàn)加載要求。而橫梁和立柱作為大型結構件，生產(chǎn)周期長、成本高，不滿足現(xiàn)階段型號產(chǎn)品時間緊、任務重的特點。

本文針對車架總成加載的上述特點，在繼承原先車架加載原理的基礎上，提出了一種模塊化、柔性化的加載方式，并對其結構強度進行了有限元分析，進而提高了車架總成的加載試驗效率。

2 車架總成加載試驗方案設計

以某型號產(chǎn)品車架總成加載試驗工藝裝備設計為例，對模塊化加載方式進行闡述。

該車架加載試驗工裝主要包含狀態(tài)一、狀態(tài)二兩種工況的加載，對于狀態(tài)一，由于空間位置的限制，加載工裝采用二力桿加載方式加載，對于狀態(tài)二，加載工裝主要采用油缸對加載點直接加載的方式加載，保證試驗數(shù)據(jù)的準確性。

2.1 狀態(tài)一加載

狀態(tài)一工況的加載工裝設計如圖1所示，根據(jù)車架的二力桿原理設計[3]，此次加載的力學原理圖如圖2所示。該方案主要由一個門形梁、一個Qh901-214油缸、拉架、支桿、加力梁、油缸支座、四個工藝支腿等組成。Qh901-214 油缸為現(xiàn)有的工裝油缸，可以直接借用，不僅節(jié)約成本，而且提高了工裝安裝效率，進而提高了試驗效率。

圖1 狀態(tài)一加載工況

圖2 狀態(tài)一力學原理圖

加載時，通過Qh901-214 油缸加載，加載方向豎直向下，加載力通過加力梁施加到拉架、支桿及車架組成的固定三角形上，根據(jù)二力桿力學原理，使其分解為拉架向前的拉力（FT）和支桿向下的壓力（FY），通過控制油缸的油壓，即可滿足車架加載載荷的角度及大小要求。

2.2 狀態(tài)二加載

狀態(tài)二工況的加載工裝設計如圖3所示，此次加載的力學原理圖如圖4所示。該方案主要由兩個門形梁、一個連接梁、三個Qh901-214 油缸、三個連桿、四個工藝支腿、擋板及配重等組成。其中兩個門形梁上面用連接梁連接成為一整體受力桁架結構形式。起豎支耳處載荷的施加主要通過調(diào)整支耳與車架的相對位置，來滿足起豎支耳處加載角度及加載力要求；尾梁回轉中心處載荷的施加主要通過調(diào)整車架位置來滿足尾梁回轉支耳處加載角度及加載載荷要求。

圖3 狀態(tài)二加載工況

圖4 狀態(tài)二力學原理圖

3 模塊化設計

3.1 標準梁的設計

標準梁的結構設計如圖5所示，目前，設計有400mm×400mm 和600mm×600mm 兩種規(guī)格的標準梁。400mm×400mm 標準梁孔軸向距130mm，橫向孔距260mm。安裝孔Φ26mm；最短910mm，最長4030mm，共有7 種規(guī)格，如表1所示。

圖5 標準梁模型圖

表1 400mm×400mm 標準梁數(shù)量統(tǒng)計表

600mm×600mm 標準梁孔軸向距200mm，橫向孔距4000mm。安裝孔Φ34mm；最短800mm，最長5600mm，共有7 種規(guī)格，如表2所示。

表2 600mm×600mm 標準梁數(shù)量統(tǒng)計表

由于該標準梁結構的特殊性，可以通過拼接的方式拼搭成需要的結構，來滿足不同的加載需求。

該方案中標準梁組合體1 由兩根600mm×600mm×2400mm 和兩根600mm×600mm×3200mm 的標準梁拼搭而成，如圖6所示。標準梁組合體2 由兩個門型梁和一根400mm×400mm×3510mm 的標準梁拼搭而成，如圖7所示。兩個門型梁分別由兩根600mm×60 0mm×2400mm、兩根600mm×600mm×3200mm 標準梁、兩根600mm×600mm×2400mm 和兩根600mm×6 00mm×4800mm 標準梁拼搭而成。如此采用標準梁拼搭的方式，結構可變性強，實現(xiàn)了模塊化設計。該方法不僅節(jié)約了成本，而且提高了工裝安裝效率，提升了整體試驗進度，滿足現(xiàn)階段生產(chǎn)任務重、周期短的生產(chǎn)需求。

圖6 標準梁組合體1

圖7 標準梁組合體2

3.2 地軌的設計

地軌接口形式采用T 形槽結構，T 形槽與被固定工件的連接方式采用T形槽用螺母和雙頭螺柱（螺栓）或壓板和T 形槽用螺母、雙頭螺柱的連接方式，雙頭螺柱或螺栓采用M30-8.8 級，單個螺柱或螺栓可提供33.7t 的拉力，T 形槽可采用非標形式。

地軌總長20m，寬6m，槽間距600mm。螺柱或螺栓在T 形槽內(nèi)布置間距約200mm，每根地軌每米承受拉力33.7t×5=168.5t。該地軌面積之大，受力之大，可以在任意位置布置所需連接的零部件，實現(xiàn)了柔性化加載。

4 關鍵零組件的計算與分析

為了保證加載的安全可靠性，對車架加載工裝的關鍵零組件建立有限元模型并對其進行有限元分析，根據(jù)強度校核理論分析有限元結果，并優(yōu)化設計。

4.1 標準梁組合體1 的有限元分析

采用四面體進行網(wǎng)格劃分，在連接油缸支耳的部位進行網(wǎng)格加密，并按狀態(tài)一對該標準梁組合體施加邊界條件，得到了標準梁組合體1 的有限元分析結果，其應力云圖如圖8所示，總位移云圖如圖9所示。

圖8 標準梁組合體1 應力云圖

圖9 標準梁組合體1 總位移云圖

從圖8可以看出，標準梁組合體1 最大應力101.55MPa，發(fā)生在油缸支耳內(nèi)孔處，標準梁材料為Q345A，材料的屈服極限為345MPa，安全系數(shù)為3.4。滿足車架加載要求。

從圖9可以看出，標準梁組合體1 的最大變形位置在油缸支座耳孔處，最大位移為0.35mm，變形量小，滿足加載要求。

4.2 標準梁組合體2 的有限元分析

對標準梁組合體2 進行四面體網(wǎng)格劃分并按狀態(tài)二工況的最大加載載荷對施加邊界條件，通過仿真求解得到了標準梁組合體2 的有限元分析結果，其應力云圖如圖10所示，總位移云圖如圖11所示。

從圖10可以看出，狀態(tài)二最大應力119.72MPa，但發(fā)生在標準梁底面通孔內(nèi)，屬于部分應力集中效應，加載梁最大應力為72MPa，安全系數(shù)為4.8，滿足車架加載要求。

從圖11可以看出，標準梁組合體2 的整體最大變形量為0.88mm，變形量小，滿足加載要求。

圖10 標準梁組合體2 應力云圖

圖11 標準梁組合體2 總位移云圖

5 結束語

標準梁組合體不僅結構可變性強，而且標準梁數(shù)量多、規(guī)格全，基本可以滿足多數(shù)車架加載的要求，實現(xiàn)了模塊化設計。而且整個試驗均是在地軌上進行的，該地軌長20m，寬6m，基本可以滿足大多數(shù)車架的加載試驗，連接位置、連接方式可根據(jù)實際需要選擇，實現(xiàn)了柔性化設計。

模塊化、柔性化加載工裝設計，不僅可以節(jié)約成本，而且工裝安裝效率得以提高，進而提升了整體試驗進度，是未來加載試驗工裝的整體趨勢。