□ 姜 勇 □ 戰(zhàn) 凱

北京礦冶研究總院 北京 100160

鉸接式自卸汽車 （Articulated Dump Truck，ADT）是駕駛室和車體之間具有鉸接點(diǎn)和擺動(dòng)環(huán)的自卸汽車［1-4］。它起源于20世紀(jì)60年代末的歐洲，是以適應(yīng)惡劣天氣及空間受限制的工作條件的一種界于傳統(tǒng)剛性后卸式運(yùn)輸汽車和鏟運(yùn)機(jī)之間的鏟土運(yùn)輸設(shè)備。而鉸接式車架的功用是支承連接汽車的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷［5］。鉸接式車架作為鉸接車輛的主要承載部件，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到整車的性能。因此，筆者以60 t交流電傳動(dòng)鉸接式自卸車車架為研究對(duì)象，通過建立整車及車架的力學(xué)模型和有限元分析模型，分別對(duì)鉸接式車架的力學(xué)特性和典型工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證鉸接式車架設(shè)計(jì)的合理性，為鉸接式自卸車車架的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供理論參考和技術(shù)支持。

1 鉸接式自卸車及車架的基本結(jié)構(gòu)

▲圖1 60 t交流電傳動(dòng)鉸接式自卸車及車架基本結(jié)構(gòu)圖

鉸接式自卸車車架的結(jié)構(gòu)型式為直梁式箱型斷面結(jié)構(gòu)，它采用前后車架鉸接式轉(zhuǎn)向，驅(qū)動(dòng)裝置為對(duì)稱的兩個(gè)雙作用液壓缸，車輛原地轉(zhuǎn)向的折腰角度為±45°。前、后車架鉸接相連，能實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)。鉸接式自卸車的前懸架采用獨(dú)立式斜置縱擺臂式牽引結(jié)構(gòu)，同時(shí)承擔(dān)縱向力和側(cè)向力，垂直方向的力由油氣彈簧承擔(dān)。中、后懸架采用獨(dú)立式斜置縱擺臂平衡梁式結(jié)構(gòu)，車架與車橋剛性連接，考慮到車輛速度較低，垂直方向的彈性變形完全由子午線輪胎承擔(dān)。6個(gè)車輪全部采用獨(dú)立懸掛系統(tǒng)及斷開式車橋，保證車輛能夠在復(fù)雜路面條件下得到較高的通過性能，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都與地面充分接觸并減少驅(qū)動(dòng)輪之間的相互影響，使每一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都能發(fā)揮最大的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力。鉸接式自卸車采用電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)兩種制動(dòng)方式。圖1為60 t交流電傳動(dòng)鉸接式自卸車及車架基本結(jié)構(gòu)圖。

2 鉸接式自卸車車架力學(xué)建模分析

鉸接式自卸車車架主要由前車架、后車架、鉸接體3部分構(gòu)成，前車架主要用以支撐發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、懸架、散熱器、駕駛室等零部件；后車架主要用以支撐車廂及物料的重量；鉸接體主要實(shí)現(xiàn)整車的轉(zhuǎn)向以及降低車架的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。以60 t交流電傳動(dòng)鉸接式自卸車為例，車架主要載荷參數(shù)見表1。

2.1 整車力學(xué)模型的建立及簡(jiǎn)化分析

整車的力學(xué)模型如圖2所示，其力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為前車架、后車架和鉸接體3個(gè)組件（如圖3所示），其它部分（如發(fā)動(dòng)機(jī)裝置、發(fā)電機(jī)、車廂物料等）以等效載荷的形式加載到相應(yīng)的3個(gè)組件上。其中：G1為前車架質(zhì)量；G1′為前車體質(zhì)量 （不含車架）；G2為后車架質(zhì)量；G2′為貨箱與物料的質(zhì)量；G21、G22分別為貨箱滿載時(shí)質(zhì)量在后車架上的分配值；R3為貨箱通過液壓舉升油缸作用在后車架上的力；a為鉸接車前進(jìn)方向加速度；Fy1、Fy2分別為作用在前、后輪上的地面法向反作用力（即地面支撐力 N1、N2）；Fx1、Fx2分別為作用在前、后輪上的地面切向反力 （地面驅(qū)動(dòng)力）；Ff1、Ff2分別為地面對(duì)輪胎的摩擦力（滾動(dòng)摩擦力）。

表1 車架載荷

▲圖2 整車力學(xué)模型圖

▲圖3 簡(jiǎn)化整車力學(xué)模型圖

2.2 前車架力學(xué)簡(jiǎn)化模型分析

前車架力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖4所示，其中R′y1、R′y2分別為前車架與鉸接體連接處上下兩個(gè)接觸面上的等效集中力，實(shí)際情況中會(huì)出現(xiàn)R′y1、R′y2兩個(gè)力大小不相等的情形，在計(jì)算過程中由于截面上的合力是一定的，鉸接點(diǎn)沒有間隙，兩個(gè)接觸面的狀態(tài)也基本相同，所以假定

由理論力學(xué)可知，空間力系平衡的充分與必要條件是：力系的主矢FN和對(duì)任意點(diǎn)的主矩MO均等于零。以鉸接點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立平衡方程：

2.3 后車架力學(xué)簡(jiǎn)化模型分析

后車架力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖5所示，其中Ry1、Ry2分別為后車架與鉸接體連接處上下兩個(gè)接觸面上的等效集中力,同理假定Fy1=Fy2，以鉸接點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立平衡方程：

將表1中的相關(guān)數(shù)據(jù)分別代入式（1）和式（2）進(jìn)行求解，可獲得鉸接式自卸車車架的受力情況。

3 鉸接式自卸車車架有限元強(qiáng)度分析

▲圖4 前車架力學(xué)模型圖

▲圖5 后車架力學(xué)模型圖

▲圖6 鉸接式自卸車車架裝配體的有限元模型

車架是整車的基體，承受著來自路面及裝載的各種載荷，成為一個(gè)承受著復(fù)雜空間力系的框架結(jié)構(gòu)，車架變形主要有彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種形態(tài)。車架使用環(huán)境惡劣，主要受到靜、動(dòng)載荷的作用，靜載荷的數(shù)值和方向保持不變。當(dāng)自卸車在平坦的路面上工作時(shí)，車架受到來自路面的反作用力，產(chǎn)生對(duì)稱的垂直動(dòng)載荷，使車架出現(xiàn)彎曲變形；當(dāng)在崎嶇不平路面上工作時(shí)，前、后輪不同時(shí)在一個(gè)平面內(nèi)，車架及車身發(fā)生歪斜，承受不對(duì)稱的動(dòng)載荷而使其出現(xiàn)扭曲變形；車輛在制動(dòng)工況或加速行駛工況下，會(huì)使前面和后面受到的載荷重分配；車輛在轉(zhuǎn)彎工況下，車架因慣性作用會(huì)受到側(cè)向力作用等。以上典型工況下，動(dòng)、靜載荷的組合為車架載荷的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)［6］。 本文采用 MPC 多點(diǎn)約束方法［7-10］，建立鉸接式自卸車車架的有限元裝配模型 （如圖6所示），分別對(duì)鉸接式自卸車滿載彎曲、轉(zhuǎn)彎、緊急制動(dòng)、啟動(dòng)、初始舉升等5種典型工況進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。

3.1 滿載彎曲工況分析

車輛在滿載靜止或在水平路面勻速行駛時(shí)，車架除受自身重力外，還要承受連接在其上的各總成的質(zhì)量。在此工況中，約束車架的右前支承點(diǎn)在總體坐標(biāo)系中的X、Y及Z自由度，左前支承點(diǎn)的X及Z自由度，右后支承點(diǎn)的Y及Z自由度，左后支承點(diǎn)的Z自由度（X、Y、Z 軸的方向，如圖 7所示）。

經(jīng)分析得出鉸接式自卸車在滿載靜止或在水平路面勻速行駛時(shí)車架的應(yīng)力分布云圖，如圖7所示，此工況下后車架縱梁上所受應(yīng)力最大，處于抗扭管上方危險(xiǎn)點(diǎn)處的最大應(yīng)力為86 MPa。前車架兩側(cè)主縱梁的受力較均勻，應(yīng)力值基本處在37～57 MPa之間，鉸接體受力比較小且應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力值基本處在23～48 MPa，整個(gè)車架大部分區(qū)域都處在低應(yīng)力區(qū)域，車架設(shè)計(jì)整體安全。

▲圖7 滿載彎曲工況下車架應(yīng)力云圖

▲圖8 轉(zhuǎn)彎工況下車架應(yīng)力云圖

▲圖9 緊急制動(dòng)工況下車架應(yīng)力云圖

3.2 轉(zhuǎn)彎工況分析

轉(zhuǎn)彎工況下，將各總成中質(zhì)量如油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、貨箱、駕駛室及礦石等的質(zhì)量施加在車架上。在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，當(dāng)離心力大于后車架縱梁上橡膠墊所能提供的最大摩擦力時(shí)，貨箱上的限位裝置將起作用，同時(shí)貨箱與車架之間的鉸座也起作用。通過力和力矩平衡方程，可算出支反力并施加于車架上。

經(jīng)分析得出轉(zhuǎn)彎工況下鉸接車車架的應(yīng)力分布云圖，如圖8所示，最大應(yīng)力點(diǎn)位于前車架靠近尾部橫梁的上方，最大應(yīng)力值為184.55 MPa。轉(zhuǎn)彎工況下后車架的應(yīng)力值基本處于76～105 MPa之間，鉸接體上的應(yīng)力值基本處于65～97 MPa之間，前車架上的應(yīng)力值基本處于65～123 MPa之間，車架設(shè)計(jì)整體安全。

3.3 緊急制動(dòng)工況分析

緊急制動(dòng)工況下考慮緊急剎車時(shí)全輪制動(dòng)，因此對(duì)車架全部支承點(diǎn)進(jìn)行約束，在車架上施加各總成質(zhì)量，同時(shí)在全局坐標(biāo)系中施加重力加速度和制動(dòng)減速度。

▲圖10 啟動(dòng)工況下車架應(yīng)力云圖

▲圖11 初始舉升工況下車架應(yīng)力云圖

經(jīng)分析得出緊急制動(dòng)工況下鉸接式自卸車車架的應(yīng)力分布云圖，如圖9所示，車架的最大應(yīng)力點(diǎn)位于前車架前端的橫梁處，最大應(yīng)力值為107.81 MPa。緊急制動(dòng)工況下前車架的應(yīng)力基本處于52～89 MPa之間，后車架的應(yīng)力基本處于48～82 MPa之間，后車架抗扭管附近的應(yīng)力比較大，車架設(shè)計(jì)整體安全。

3.4 啟動(dòng)工況分析

啟動(dòng)工況下全約束車架的后支承座，釋放車架前支承點(diǎn)X方向自由度并約束其它自由度，在車架上施加各總成質(zhì)量，然后在全局坐標(biāo)系中施加重力加速度和啟動(dòng)加速度。

經(jīng)分析得出啟動(dòng)工況下鉸接式自卸車車架的應(yīng)力分布云圖，如圖10所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在后車架縱梁上方的抗扭管處，最大應(yīng)力值為89.97 MPa。整個(gè)車架大部分的應(yīng)力區(qū)域處于17～54 MPa之間，車架設(shè)計(jì)整體安全。

3.5 初始舉升工況分析

初始舉升工況與滿載靜止時(shí)的約束方式相同。車架除受到自身的重力外，還承受連接在車架上的各個(gè)總成的質(zhì)量，其中貨箱及物料的質(zhì)量以集中載荷的形式施加于車架上，施力點(diǎn)在舉升油缸的支架處和貨箱與車架的鉸接處。

經(jīng)分析得出初始舉升工況下鉸接式自卸車車架的應(yīng)力分布云圖，如圖11所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在中間鉸接體的下鉸接點(diǎn)加強(qiáng)筋位置，最大應(yīng)力值為103.35 MPa。初始舉升工況下車架所受應(yīng)力大多處在低應(yīng)力區(qū)域，前車架的應(yīng)力值大部分處在44～62 MPa之間，后車架的應(yīng)力值大部分分布在48～82 MPa之間，車架設(shè)計(jì)整體安全。

4 結(jié)論

筆者以60 t交流電傳動(dòng)鉸接式自卸車車架為研究對(duì)象，建立了鉸接式自卸車車架力學(xué)模型，對(duì)車架的受力情況進(jìn)行了計(jì)算分析，通過采用多點(diǎn)約束（MPC）方法模擬了鉸接式自卸車車架的裝配特征關(guān)系，建立了鉸接式自卸車車架的有限元模型，對(duì)車架進(jìn)行了滿載彎曲工況、轉(zhuǎn)彎工況、緊急制動(dòng)工況、啟動(dòng)工況及初始舉升工況的強(qiáng)度分析，從結(jié)果應(yīng)力云圖中可以獲得各典型工況下車架的危險(xiǎn)點(diǎn)，驗(yàn)證了該鉸接式自卸車車架設(shè)計(jì)偏于安全，為該車架的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了一定的理論依據(jù)，也為其它鉸接式車輛的設(shè)計(jì)計(jì)算分析提供了一種新方法，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

［1］ 王國彪，劉丹.國內(nèi)外鉸接式自卸汽車的發(fā)展與技術(shù)現(xiàn)狀［J］.國外金屬礦山，2001（2）：54-61.

［2］ 張啟君，張忠海.鉸接式自卸車國內(nèi)外發(fā)展及懸掛系統(tǒng)的探討［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2003（5）：20-22.

［3］ 王國彪.國外礦用汽車的現(xiàn)狀與發(fā)展（Ⅱ）—鉸接式自卸汽車［J］.礦山機(jī)械，2000（2）：6-11.

［4］ Jonathan Watt.Seasons Greetings ［J］.World Mining Equipment，2002（3）：10-13.

［5］ 陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［6］ 譚繼錦.汽車有限元法［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［7］ 楊學(xué)軍.SGA3722礦用汽車車架異常斷裂的分析 ［D］.北京：北京科技大學(xué)，2006.

［8］ 尹輝俊.重型自卸車車架的有限元分析及其早期斷裂原因分析［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［9］ 張朝暉，王富恥，王魯，等.ANSYS工程應(yīng)用范例入門與提高［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［10］李正網(wǎng).基于ANSYS的重型貨車車架結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2009.