文 計京寶 王鴻舉 毛盛敏

“ω型”自卸車貨箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

許多自卸車之所以越做越重、板料越用越厚，主要原因是如果底板剛度不足，自卸車貨箱底板會在反復(fù)的不規(guī)范裝載下受到?jīng)_擊，產(chǎn)生塑性變形從而引發(fā)底板斷裂失效?；诖?，筆者借鑒了大壩和拱形橋梁的設(shè)計理念，提出了“ω”型底板結(jié)構(gòu)的自卸車貨箱設(shè)計。

文 計京寶 王鴻舉 毛盛敏

自卸車是工程建設(shè)中建筑材料、土石方等運輸?shù)闹饕O(shè)備，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、運輸效率高、卸料快捷等優(yōu)勢而得到快速發(fā)展。但受我國道路收費標準高、用戶貨物裝載不規(guī)范等多種原因的影響，許多自卸車貨箱越做越大，材料越來越厚，超載現(xiàn)象也越來越嚴重。這種狀況不僅導(dǎo)致道路嚴重損壞，還會造成車輛油耗增加、排放增多及材料浪費，不利于降低制造、使用成本，也與倡導(dǎo)節(jié)能減排的思路相違背。為了解決這一問題，筆者將自卸車貨箱的改進作為新的課題。

1 貨箱設(shè)計背景

如果自卸車貨箱底板剛度不足，在反復(fù)的不規(guī)范裝載下，受到?jīng)_擊產(chǎn)生的塑性變形會引發(fā)底板斷裂失效，這導(dǎo)致當前工程自卸車越做越重、板料越用越厚。據(jù)調(diào)查，目前市場上自卸車貨箱底板所用板料最厚的已達到20 mm。

當前工程自卸車市場競爭十分激烈，如果自卸車生產(chǎn)廠家的制造成本得不到有效遏制而導(dǎo)致用戶使用成本不斷提高，那么生產(chǎn)企業(yè)只有等待被市場淘汰的命運。這就促使生產(chǎn)廠家改變固有的設(shè)計思路和生產(chǎn)方式，不斷創(chuàng)新，不斷推出減重方案。

目前，普遍采用降低貨箱自質(zhì)量的2種優(yōu)化方式：

一種是采用高強度鋼板，以降低材料厚度，達到降低貨箱自質(zhì)量的目的。此種方式大多只是簡單的用高強度板材代替低強度板材，通過降低板材厚度達到降低貨箱自質(zhì)量的效果，車輛本身的結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，仍為通用的方型貨箱。

另一種是采用“U”型貨箱結(jié)構(gòu)和高強度鋼板并舉的辦法降低貨箱自質(zhì)量?！癠”型結(jié)構(gòu)設(shè)計中，貨箱邊板采用折彎成型件，為了增強邊板強度采用加強筋，因而可通過減少邊板加強筋的數(shù)量來降低貨箱自質(zhì)量；同時又采用高強度鋼板替代低強度板，綜合達到降低貨箱自質(zhì)量的目的。此種方式雖然較第一種方型貨箱的自質(zhì)量又進一步減輕，但仍然未能改變貨箱底板的結(jié)構(gòu)，同樣需要增厚板材來增強底板剛度。

2 “ω”型貨箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

如何改變目前這種通過增厚板材來增強剛度，進而導(dǎo)致貨箱增重的模式呢？在對貨箱進行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，筆者提出了以提高貨箱底板剛度、同時滿足輕量化要求為目標的設(shè)計思路?；诖?，筆者借鑒了大壩和拱形橋梁的設(shè)計理念，提出了“ω”型底板結(jié)構(gòu)的自卸車貨箱設(shè)計方案。

“ω”型自卸車貨箱是在“U”型貨箱的基礎(chǔ)上對其底板結(jié)構(gòu)進行改進而成的。將改進后的底板與邊板拼裝結(jié)合后，從箱體截面看，其結(jié)構(gòu)為中間弧型凸起、兩側(cè)凹下，近似“ω”形狀的貨箱結(jié)構(gòu)型式，因此稱之為“ω”型貨箱(如圖1、圖2)。

2.1 貨箱的CAE有限元對比分析

在同等工況、同等材質(zhì)、同樣的外形尺寸和相同的加載條件下，對改進前后的貨箱結(jié)構(gòu)進行CAE仿真分析。

本文以長5.6 m、內(nèi)寬度2.3 m、邊板高度1.2 m的貨箱為例，分別在2種貨箱底板上均布加載400 000 N。貨箱底板變形量對比表見表1，方型貨箱底板變形量如圖3所示，“ω型”貨箱底板變形量如圖4所示。

從表1中的數(shù)據(jù)對比情況可知，“ω型”自卸車貨箱底板變形量遠小于方型自卸車貨箱底板變形量。由此可以得出，“ω型”自卸車貨箱凸弧型底板的剛度、抗沖擊性等性能明顯提高。

通過對原方型自卸車貨箱底板結(jié)構(gòu)的改變，在承受同等載荷的情況下，采用“ω型”設(shè)計的自卸車貨箱完全可用薄板替代厚板作為貨箱底板使用，這樣就可使貨箱自質(zhì)量有效減輕。通過理論計算，貨箱所耗材料質(zhì)量變化情況如表1所示，由數(shù)據(jù)可知“ω型”貨箱底板厚度為8 mm時的結(jié)構(gòu)強度相當于底板厚度14 mm方型貨箱。經(jīng)過計算，相對于方型貨箱而言，僅底板“薄代厚”一項，減輕的材料質(zhì)量就達到了320 kg。

表1 貨箱底板變形量對比表 mm

通過以上數(shù)據(jù)的對比分析可知，改進后的“ω型”貨箱凸弧型底板在剛度明顯增強、自質(zhì)量有效減輕的同時，其容積也有所損失，約0.67 m3。損失的容積占整個貨箱容積的4.3%，＜5%。顯然，對于目前整個行業(yè)普遍超載運輸?shù)默F(xiàn)狀來說，損失的容積對總運輸量的影響程度很小。但貨箱底板剛度的增強，質(zhì)量的減輕，能使車輛油耗降低，使用壽命得以延長，因此，綜合分析比較，改進后的“ω型”貨箱的應(yīng)用能有效降低用戶的使用成本。

2.2 貨箱的生產(chǎn)工藝難點分析

“ω型”自卸車貨箱底板的結(jié)構(gòu)形式，相對普通方型自卸車貨箱底板更為復(fù)雜，這給生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)提出了較高的工藝要求。因此，需要合理的工藝方案及有效的工裝配套做保障，才能減少“ω型”自卸車貨箱生產(chǎn)制造上的困難，以適合批量生產(chǎn)的需要。

凸弧型底板制作成型是“ω型”貨箱制作工藝上的主要難點，該成型樣件尺寸控制得合理與否，直接關(guān)系到其他部件能否與之拼合到位。由于底板由中間凸弧型板和兩側(cè)延伸的水平板構(gòu)成(如圖2)，此種結(jié)構(gòu)如不能一次加工成型，而是采用中間凸弧型板與兩側(cè)水平板拼接方式，將增加焊接的工作量，同時對接部位的強度也很難保證。經(jīng)過對比分析和樣件試制，最終，在工藝上采用滾壓方式，該方法很好地解決了一次加工成型問題。

由于是異型箱體結(jié)構(gòu)，“ω型”貨箱總拼焊流程是難點，因此，貨箱拼合后尺寸控制是主要問題，如按方型廂體工藝流程方式進行尺寸控制，則較困難；因此，必需采用工裝定位來保障貨箱的拼合尺寸。

“ω型” 自卸車貨箱設(shè)計方案的提出，解決了當前自卸車依靠不斷增加底板厚度來實現(xiàn)貨箱底板剛度提升的落后方式，降低了生產(chǎn)環(huán)節(jié)制造成本的增加，從而也為用戶減輕負擔。本文只是對自卸車貨箱改進性設(shè)計提供的一種思路，希望更多的工程設(shè)計人員能夠提出自己更好的設(shè)計構(gòu)思。

[1] 劉哲義 何明輝, 專用汽車構(gòu)造, 武漢工業(yè)大學出版社, 1994

(注：本文作者單位系重慶凱瑞特種車有限公司。)