陳宗鑫 金 焰 劉華祥

（中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200941）

35噸整體式渣罐車前橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳宗鑫 金 焰 劉華祥

（中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200941）

本文針對35噸整體式渣罐車前橋設(shè)計結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，前橋羊角及橋體易斷裂，轉(zhuǎn)向油缸排量小造成轉(zhuǎn)向吃力，主銷軸易松動造成側(cè)傾角移位問題，對前橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料疲勞應(yīng)力分析，找到癥結(jié)，并對前橋結(jié)構(gòu)成功進(jìn)行了優(yōu)化，從機(jī)械本質(zhì)安全的角度使35噸整體式渣罐車渣罐運(yùn)輸作業(yè)安全得到保障，該成果在鋼廠鋼渣運(yùn)輸工藝中極具推廣價值。

35噸渣罐車；前橋；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 概述

35噸渣罐車的前橋故障一直是重要的檢修作業(yè)難點(diǎn)和生產(chǎn)作業(yè)的安全隱患。其前橋的使用到目前為止共發(fā)展了兩種規(guī)格，即鑄造圓形橋和方形橋。目前由于車型為單前橋負(fù)重及轉(zhuǎn)向，但因?yàn)榍皹蛟O(shè)計結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，前橋羊角易斷及橋體易斷裂，轉(zhuǎn)向油缸排量小造成轉(zhuǎn)向吃力，主銷軸易松動造成側(cè)傾角移位，以上問題給安全生產(chǎn)帶來了較大的隱患。

2 35噸渣罐車前橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化步驟與內(nèi)容

2.1 35噸渣罐車前橋破壞位置及鑄鋼軸架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

經(jīng)過現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)研分析：發(fā)生破壞的前橋構(gòu)件為鑄鋼件，其破壞位置多發(fā)生在軸架中多個直角過渡處。

前橋現(xiàn)場工作條件：罐車上的罐體重量為20噸，分兩處位置施加在前橋主軸上，再傳遞到軸架上。

通過對鑄鋼前橋的有限元分析，鑄鋼前橋構(gòu)件軸架結(jié)構(gòu)平面與圓柱連接處由于過渡過于突兀，產(chǎn)生了大范圍的應(yīng)力集中；同時前橋構(gòu)件軸架結(jié)構(gòu)內(nèi)部直角處由于過渡過于突兀，有兩個較大的區(qū)域產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中，對結(jié)構(gòu)的使用壽命產(chǎn)生了極為不利的影響。

2.2 鍛造軸架應(yīng)力分析

針對鑄鋼軸架結(jié)構(gòu)中兩個直角位置發(fā)生應(yīng)力破壞的情況，結(jié)合前述應(yīng)力分析中發(fā)現(xiàn)的兩處有明顯的應(yīng)力集中情況，特此將其結(jié)構(gòu)做了較大的改進(jìn)，由鑄鋼成型改為鍛造成型。軸架內(nèi)部的直角位置改為平緩的圓角過度，外部的直角過度增加了一個圓臺過度，以期減少應(yīng)力集中，提高軸架的壽命。

鍛造前橋構(gòu)件軸架結(jié)構(gòu)由于進(jìn)行了改進(jìn)，只有一個較小的區(qū)域產(chǎn)生了一定程度的應(yīng)力集中，應(yīng)力值也有較大的下降。

2.3 鑄鋼實(shí)心主軸應(yīng)力分析

在破壞發(fā)生時，前橋主軸為實(shí)心鑄鋼件；前橋構(gòu)件中，主軸為均勻的圓形，其應(yīng)力均處于較低的水平，最大應(yīng)力為100MPa左右，遠(yuǎn)低于鋼材的強(qiáng)度，其應(yīng)力最大值出現(xiàn)于兩邊的支撐環(huán)。由此可以看出，鑄造過程中的晶粒粗大﹑縮孔等組織缺陷對主軸的壽命影響更為明顯。

2.4 鍛造空心主軸應(yīng)力分析

針對在破壞發(fā)生時，前橋主軸為實(shí)心鑄鋼件，鑄造過程中容易發(fā)生晶粒粗大，出現(xiàn)縮孔﹑夾雜等組織缺陷，對主軸的壽命影響較為不利。在新設(shè)計中，改用鍛造成型，可以細(xì)化晶粒，改善組織，提高材料的性能。同時，鑒于主軸的應(yīng)力水平較低，改為空心管狀結(jié)構(gòu)，以節(jié)省材料，減輕自重。

鍛造前橋構(gòu)件中，主軸是均勻的圓形，不管是實(shí)心改為空心，其應(yīng)力仍處于較低的水平，沒有明顯的增加，中心位置最大應(yīng)力為120MPa左右，遠(yuǎn)低于鋼材的強(qiáng)度，其應(yīng)力最大值出現(xiàn)于兩邊的支撐環(huán)。由此可見，主軸結(jié)構(gòu)的改變并沒有對主軸的應(yīng)力水平產(chǎn)生明顯的改變，而其組織的改善，自重的減輕，對其使用壽命有極為有利的影響。

2.5 制定35噸渣罐車前橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

根據(jù)上述前橋結(jié)構(gòu)有限元的分析，對前橋結(jié)構(gòu)制定如下改進(jìn)方案：一是前橋材料由原來的鑄造成型變成鍛造成型，由原來的鑄鋼件變成42CrMo鍛件；二是軸架內(nèi)部的直角位置改為平緩的圓角過度，外部的直角過度增加了一個圓臺過度，以期減少應(yīng)力集中，提高軸架的壽命；三是增大前橋羊角尺寸，將前橋羊角的倒角半徑由原來的5mm增加到10mm；四是增大羊角安裝孔的開孔尺寸，立軸銅套加厚；五是將轉(zhuǎn)向油缸由2個縮減至1個，使轉(zhuǎn)向角達(dá)到更為理想的狀態(tài)，使渣罐車車輪在轉(zhuǎn)向時更為輕便﹑靈敏，降低操作人員的操作強(qiáng)度見圖1。

圖1 前橋主軸及其羊角設(shè)計圖

3 35噸渣罐車前橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應(yīng)用效果

通過裝配和調(diào)試，并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，新型前橋在如下幾個方面取得了成功：

（1）車輛轉(zhuǎn)彎時各轉(zhuǎn)向輪無滑動和滾動，轉(zhuǎn)彎半徑較??；

（2）車輛在轉(zhuǎn)向時方向盤操縱輕便，轉(zhuǎn)向靈敏,回轉(zhuǎn)圈數(shù)少,同時轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向輪所受的側(cè)向力適當(dāng)?shù)胤答伒椒较虮P上，避免了“打手”現(xiàn)象的發(fā)生；

（3）該新型前橋應(yīng)用后調(diào)整﹑維修方便。從渣罐車修理備件費(fèi)用來看，前橋備件費(fèi)用降為原來的1/3，一年每臺渣罐車省去前橋備件費(fèi)用1.08萬元，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益；

（4）前橋使用壽命從原來的8個月增加至12個月。

當(dāng)然，前橋改進(jìn)在取得上述成功的同時，也存在一些負(fù)面的影響，主要是由于轉(zhuǎn)向油缸由兩個縮減至一個，在方向盤轉(zhuǎn)彎時需轉(zhuǎn)向閥開啟不同的角度。

[1]趙金龍, 孫昌旺, 徐偉剛． 重型汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析優(yōu)化研究[J]． 重型汽車, 2010, （3）．

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