黃建程

（廣西農(nóng)業(yè)機械研究院，廣西 南寧 530007）

一種礦用自卸寬體車車架結構的設計

黃建程

（廣西農(nóng)業(yè)機械研究院，廣西 南寧 530007）

介紹了目前國內(nèi)各種礦用寬體車車架結構的特點，指出了設計重點，為寬體車設計提供了有價值的參考資料，同時提出一種新的車架結構的設計。

寬體車；車架；結構設計

自卸車有公路自卸車，有礦用自卸車，在礦區(qū)上使用的一般是重型礦用自卸車或稱為特大型礦用自卸車，而這種礦用自卸車行駛在礦山路面上，常遇見路面凹凸不平、一輪或多輪騎高或下陷等現(xiàn)象，車架受不規(guī)則的扭曲變形作用。

車架是整車的核心構件，其設計與制造水平，代表整車生產(chǎn)商的能力。礦用自卸車在運行過程中，車架經(jīng)常發(fā)生疲勞斷裂事故。

近年來，由于市場特殊需求，衍生出一種非公路自卸卡車，俗稱“寬體車”。寬體車屬于礦用自卸車的一種，技術源自公路自卸卡車，系在公路自卸卡車基礎上，加強加寬底盤而來。

寬體車的工作條件惡劣，要求車架較公路自卸卡車更加結實，工作壽命更長，但結構簡單，自重不能太大，以免影響載質量。傳統(tǒng)的車架強度的計算方法，是將車架簡化成一簡支梁進行簡單的彎曲強度計算，隨著有限元分析的導入，這比前一種計算方法更精確，但由于車輛在礦區(qū)使用的工況復雜，車架受力狀況亦復雜，要建立精確的數(shù)學模型和邊界條件非常困難，緊靠精確的理論計算是不夠的，還需要進行精心的結構設計。

1 寬體車車架常見結構

目前市場常見寬體車車架結構的有3種：

第一種為由高強度厚鋼板拼焊而成的箱形車架；

第二種是由沖壓或折彎縱梁和橫梁拼焊而成的箱形車架；

第三種類似公路自卸卡車車架，由沖壓或折彎梁鉚接而成的槽型車架。

這3種車架結構都屬于邊梁式結構，但縱梁和橫梁的結構各異，造成制作工藝各異。

第一種車架的縱梁結構見圖1所示，這種縱梁結構與重型剛性礦車結構相似，對焊接工藝要求很高，整個縱梁要求全焊，目前采用的大多是埋弧焊接工藝。采取這種車架縱梁結構，橫梁一般采用整體鑄鋼件或鋼板拼焊后，與縱梁焊接聯(lián)接，整個車架為全封閉結構。

圖1 縱梁箱形截面結構

第二種車架的縱梁結構見圖2所示，這種結構同樣對焊接工藝要求很高，整個縱梁要求全焊，上下翼面均是受力面，而焊接位置處于對扣梁的折彎處，容易造成應力集中。橫梁與縱梁鏈接，只能通過焊接方式聯(lián)接，同樣焊接位置也處于對扣梁的折彎處。

圖2 縱梁箱形截面結構

第三種車架的縱梁結構見圖3所示，這種結構在普通公路卡車中運用廣泛，俗稱“雙層梁”，內(nèi)外兩層梁的板厚組合一般有10 mm+10 mm、10 mm+8mm、8mm+8mm、8mm+6mm等。采用這種縱梁結構，車架橫梁一般通過鉚接方式聯(lián)接，而懸架與車架的聯(lián)接，是通過螺栓聯(lián)接。整個車架屬于開放式槽形結構，一般縱梁和橫梁都是采用一次沖壓成型，方能確保精度要求。

圖3 縱梁槽形截面結構

車架縱梁是車架承載質量最為關鍵的機構，以上3種車架縱梁結構各有利弊：

（1）第一種結構屬于全焊，焊接品質都要求高，容易出現(xiàn)焊接變形等缺陷，由于車架長度一般不小于8m，若采用埋弧焊，則焊接工裝非常大，但箱形結構受力效果更好。

（2）第二種結構也屬于全焊，縱梁和橫梁若采用折彎成型，很難保證左右梁對扣拼焊后上下翼面的尺寸精度要求，同時焊接品質很難保證；

（3）第三種結構目前被廣泛采用，工藝要求簡單。采用這用結構時，一般要求整車載質量不大，車廂與車架之間還設有副車架，避免直接沖擊車架。

2 結構設計

2.1 開發(fā)背景

經(jīng)過實地調研，各類車架各有利弊，通過采集各種結構車架的實際運行故障，發(fā)現(xiàn)：整車在運行過程中，由于礦區(qū)路面凹凸不平，車架承受高強度的扭曲和沖擊，經(jīng)常造成斷裂和扭曲變形，嚴重影響到車輛的安全性，對懸架連接橫梁和中橫梁來說，該問題非常突出。

（1）寬體車設計的額定載荷，介于公路自卸卡車與重型剛性礦用自卸車之間，總質量一般設計為40～80 t，彌補了我國礦山運輸設備的空白。在條件復雜，作業(yè)場地狹窄的采礦區(qū)，有效取代了公路自卸卡車和重型礦用車，適應性強，需要設計一種車架總成，縱梁總成及各橫梁總成均為箱形結構，保持結構穩(wěn)固有點，但要求結構與工藝簡單，強度大，工作壽命長。

（2）引入新的方法，對車架總成進行了有限元分析，優(yōu)化各橫梁與縱梁聯(lián)接結構，降低應力，提高車架的橫向抗扭強度，改善應力分布，防止了斷裂和扭曲變形，提高安全可靠性。

2.2 結構設計與工藝

2.2.1 縱梁設計

縱梁是寬體車車架主要承載元件。目前寬體車縱梁有箱形變截面、槽形變截面兩種。根據(jù)箱形截面受力特點，繼續(xù)保持其優(yōu)點，但車架前段承受扭曲的強度小，同時為方便布置動力總成、冷卻、進排氣和駕駛室等系統(tǒng)，采取縱梁箱形3種截面結構：即車架前部上下翼面高度較小，從發(fā)動機前后懸置中心位置附近開始向逐漸加大，到駕駛室后懸置處達到最大，再往后保持平直，有利于布置車廂等上裝機構。

其縱梁箱形截面如圖4所示，縱梁由內(nèi)、外梁拼焊而成：外縱梁為一根整體梁，如圖5所示。前內(nèi)梁為加強板，后內(nèi)梁為折彎梁，并在中性層附近開有工藝孔，便于布置和安裝使用（見圖5所示），就形成了圖4所示的焊接形式。

這樣的截面，保持了箱形結構的優(yōu)點，同時簡化外縱梁的制作工藝，為加強縱梁的強度，加大了L1高度值，滿足要求時一般不小于450mm，而L2高度值由整車布置確定。由于L1數(shù)值大，而寬體車生產(chǎn)能力一般不大，若采用沖壓工藝制作，則需要大型的沖壓設備和模具，無疑成本大增，且L1越大，成本越高。

圖4 縱梁箱形截面結構

圖5 縱梁整體

為簡化工藝，制作縱梁只需采用折彎工藝即可，省去大型沖壓模具，只要控制好外縱梁折彎品質和內(nèi)、外縱梁拼焊品質。該結構的內(nèi)梁起輔助承載作用，為降低焊接變形，采用分段焊，焊縫長度為100mm左右。

2.2.2 橫梁設計

寬體車的車架橫梁與普通公路汽車類似，但橫梁較少，第一橫梁位于駕駛室前懸支座支承處，為簡化工藝，設計成箱形梁（類似圖1所示結構）；第二橫梁為加強梁，位于動力總成輔助支承處和油缸與車架相交處，用圓管即可；第三橫梁為中橫梁，設計成箱形梁；第四橫梁為懸架連接梁，處于平衡懸架平衡軸中心處，設計成箱形聯(lián)接左右平衡懸架總成；第五橫梁為后橫梁，處于車架尾部，承載車廂傾翻時支座傳遞來的力，同樣設計成箱形結構。

（1）第一橫梁。此梁為箱形梁，見圖6所示，由4塊鋼板拼焊而成，重點承載來自駕駛室和保險桿傳遞來的力，為簡化工藝，直接將其與左右縱梁通過焊接方式聯(lián)接。

圖6 第一橫梁

（2）第三橫梁。此橫梁也為箱形梁，但在箱中增設有一加強梁，見圖7所示。

圖7 第三橫梁

（3）第四橫梁。第四橫梁結構跟第三橫梁基本一致，根據(jù)平衡懸架總成結構確定，見圖8所示。

圖8 第四橫梁

橫梁和縱梁都采取箱形結構，只是形成箱形結構的方式不一樣，在設計這樣的結構之前，充分考慮了車架總成的受力狀況，整個車架均是焊接而成，焊接量大，但工藝簡單，在形成車架總成之前，先分布制作縱梁和各橫梁總成，最后只需要一副點焊工裝和變位器工裝。

2.3 材質的選擇

低合金高強度鋼板，是目前寬體車車架主要采用的材質。橫梁一般采用屈服強度為350MPa，抗拉強度為600～700MPa，如果部分橫梁采用鑄鋼件，則鑄件屈服強度為240MPa即可。

縱梁為主要承載元件，按現(xiàn)有設計的結構，可以借鑒公路自卸卡車的大量材料，但屈服強度要求更高，目前公路自卸卡車一般采用510L鋼板(俗稱汽車大梁板)，而寬體車要用到屈服強度700以上的高強度鋼板，甚者可以采用更高強度的特殊鋼板（比如SSAB的HARDOX系列鋼板），既可保證或增強強度，又可降低車架總體自重。

3 車架結構分析

這種車架結構是否合理，我們引入有限元分析方法進行結構分析。按照寬體車在實際工作中工作路線，重點選取了若干個典型危險工況，進行有限元分析，及滿載靜止和平穩(wěn)運行、彎扭組合工況（轉彎、剎車、顛簸）、傾斜舉升作業(yè)等工況。

分析結果顯示，車架出現(xiàn)故障和位置，與目前市場上寬體車車架的故障模式和位置一致，這表明我們的設計方向是正確的，同時顯示此次設計的結構，較目前市場其他結構更好。通過優(yōu)化設計后，寬體車整車整備質量控制在預設范圍內(nèi)，載質量與車架自重之比為12～8之間，而重型剛性礦車和電動輪礦車此值約為10左右，這表明優(yōu)化后的車架自重，是可以接受的。

4 結束語

寬體車車架的破壞，往往是由于疲勞應力超過材料或焊縫的疲勞極限而造成的。寬體車在礦區(qū)運行時，由于路面狀況復雜，車架承受來自方向和數(shù)值變化很大的交變重復負荷作用，因此在設計車架時，要設置足夠的安全系數(shù)，并不斷優(yōu)化車架結構。

[1]李凱旋.礦用重型自卸車車架結構設計[J].礦山機械，1996，（3）：2-5.

[2]北京華經(jīng)縱橫咨詢有限公司.中國露天礦車產(chǎn)品技術發(fā)展現(xiàn)狀及市場需求研究報告[DB/OL].北京：中國產(chǎn)業(yè)競爭情報網(wǎng),2009.

[3]張小虞.汽車工程手冊·設計篇（第二版）[M].北京：人民交通出版社出，2001.

[4]劉維信.機械優(yōu)化設計[M].北京：清華大學出版社，2002.

A Design of Frame Structure for Mining Dump Truck

HUANG Jian-cheng
（Guangxi Academy of Agricultural Machinery，Nanning530007,China）

This article introduces the construction feature of various domestic mine truck frames，and points out some important problems on the frame construction design。Many valuable reference informations are provided for mine truck frames,and propose anew design method.

mine truck；frames；construction design

U469.602

A

1672-545X（2011）09-0056-03

2011-06-17

黃建程（1982—），男，廣西平樂人，助理工程師，主要從事礦山機械和運輸機械設備研究。