趙俊鵬， 姜大偉， 高 智， 陳珉珉， 宋國亞

（1.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2.長春工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引 言

副車架是連接防噴修井設(shè)備專用運(yùn)輸車底盤車架（簡稱主車架）和上部總成結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它可以增強(qiáng)車架的承載力，增強(qiáng)主車架的受力和承載情況，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中，并且能夠起到緩沖作用，降低車輛震動，提高車輛穩(wěn)定性、安全性和舒適性［1］。

防噴修井設(shè)備專用運(yùn)輸車所承載的設(shè)備體積和質(zhì)量較大，通常在25t左右，副車架作為運(yùn)輸車的承載基體，承受上部設(shè)備傳給它的所有力和力矩。運(yùn)輸車多在道路不平、崎嶇坎坷的運(yùn)輸和作業(yè)條件下進(jìn)行作業(yè)，車架必須有足夠的彎曲剛度，保證所承載的上部相關(guān)總成之間的相對位置在行駛和作業(yè)過程中保持不變，并使車身的變形量最小［2］；車架也必須有足夠的強(qiáng)度，以保證其有足夠的可靠性和壽命。

因此，在防噴修井設(shè)備專用運(yùn)輸車副車架的設(shè)計(jì)計(jì)算之后，采用有限元法對其進(jìn)行力學(xué)性能的計(jì)算、預(yù)測和仿真分析，對不同作業(yè)工況進(jìn)行分析，確定設(shè)計(jì)的副車架結(jié)構(gòu)是否合理及其優(yōu)化方式，為防噴修井設(shè)備專用運(yùn)輸車整車的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，也為其他車輛副車架的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

副車架主要承受壓力載荷，在作業(yè)過程中起穩(wěn)固支撐作用。根據(jù)防噴修井設(shè)備專用運(yùn)輸車作業(yè)實(shí)際情況，為避免在運(yùn)輸和作業(yè)過程中出現(xiàn)副車架沒有足夠的剛度來滿足安全作業(yè)要求［3］，現(xiàn)對副車架選材進(jìn)行了理論計(jì)算。

副車架選材Q345，則可知材料的抗拉強(qiáng)度σb＝550MPa，安全系數(shù)S＝3。

則其許用切應(yīng)力：

許用壓應(yīng)力：

副車架縱梁受力：

式中：G總——副車架所受總應(yīng)力；

M井——背負(fù)設(shè)備質(zhì)量；

M翻——翻轉(zhuǎn)架質(zhì)量。

縱梁截面總面積：

則單個縱梁截面面積：

縱梁選取熱軋普通槽鋼，總長度為9 285mm，寬度為58mm；橫梁選取冷彎空心型鋼，總長度為869.5mm，邊長B為140mm。

副車架總成如圖1所示。

圖1 副車架總成圖

2 有限元模型建立

利用CATIA中建立的模型轉(zhuǎn)成通用＊.stp格式導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH中，為建立更為精確的模型，仿真結(jié)果更接近實(shí)際工況，又不因模型復(fù)雜導(dǎo)致計(jì)算量大而耗費(fèi)資源過大，對CATIA所建模型進(jìn)行簡化，去掉一些實(shí)際中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但對模型整體受力影響較小的部件［4］。

在建模時(shí)，采取的簡化方法如下［5］：

1）去除副車架上的非承載件，忽略結(jié)構(gòu)上的小圓孔、倒角等；

2）將結(jié)構(gòu)中的焊接部位認(rèn)為是理想焊接，焊接材料與副車架材料相同；

3）車架橫梁和縱梁之間采用殼單元模擬，懸架和縱梁之間采用螺栓和鉚釘，用梁單元模擬。

采用solid45實(shí)體單元對所建立的車架有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義劃分副車架的單元大小為20mm，車架的單元大小為30mm，用ANSYS WORKBENCH自帶的劃分網(wǎng)格功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別對模型中焊接和鉚接各連接部位進(jìn)行設(shè)定［6］。建立的劃分網(wǎng)格后的車架有限元模型如圖2所示。

圖2 車架有限元模型

3 約束及工況載荷

防噴修井設(shè)備專用運(yùn)輸車副車架通過U型螺栓、止推板與主車架部分固定，運(yùn)輸車的上裝結(jié)構(gòu)中舉升機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)架都分別與副車架直接連接。在分析副車架的約束與工況載荷時(shí)，必須將與副車架相連接的各個部分考慮進(jìn)去，這樣才能更接近實(shí)際工況下的作業(yè)情況［7］。與副車架相連接的各部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。

根據(jù)防噴修井設(shè)備專用運(yùn)輸車的實(shí)際作業(yè)情況，車架的約束施加情況如圖4所示。

圖3 副車架相連接結(jié)構(gòu)圖

圖4 車架施加約束位置示意圖

圖4 中，由于副車架是通過主車架與運(yùn)輸車懸架和輪胎相連接，而運(yùn)輸車的前輪部分是兩個獨(dú)立的懸架系統(tǒng)，因此，在主車架的下表面分別設(shè)置A、B、C、D 4個約束位置；后橋使用的是一個聯(lián)合懸架與車輪連接，而且兩后橋的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于副車架的長度，所以，將兩后橋的中心線與主車架下表面的交點(diǎn)E、F點(diǎn)設(shè)置約束［8］。

在純彎曲工況下的具體約束見表1。

表1 純彎曲工況下約束施加情況

彎扭聯(lián)合工況的約束施加與純彎曲工況相同，只是在Z方向?qū)D中A點(diǎn)和C點(diǎn)設(shè)置正方向200mm約束和對F點(diǎn)設(shè)置負(fù)方向200mm的約束。

4 有限元結(jié)果分析

防噴修井設(shè)備專用運(yùn)輸車裝載質(zhì)量為25t，考慮到石油作業(yè)的特殊性，分析時(shí)將裝載質(zhì)量選為正常裝載質(zhì)量的1.5倍，約35t。分析時(shí)，根據(jù)實(shí)際使用情況，將分析分為純彎曲工況、彎扭聯(lián)合工況、舉升工況和吊裝工況4個關(guān)鍵工況進(jìn)行分析［9］。副車架采用的材料為Q345，材料屬性見表2。

表2 材料屬性

4.1 純彎曲工況

純彎曲工況下等效應(yīng)力云圖和最大變形云圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 等效應(yīng)力云圖

圖6 最大變形云圖

最大應(yīng)力值為208MPa，小于屈服極限；最大變形量在副車架尾部，最大變形量為10mm。

4.2 彎扭聯(lián)合工況

彎扭聯(lián)合工況下等效應(yīng)力云圖和最大變形云圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 等效應(yīng)力云圖

圖8 最大變形云圖

最大等效應(yīng)力發(fā)生在尾部舉升裝置連接處，最大等效應(yīng)力值為320MPa，小于屈服極限；最大變形量為18mm。

4.3 舉升工況

舉升裝置通過連接裝置焊接在副車架上，由舉升液壓缸將翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)至工作所需角度，此時(shí)，整車的重心后移。舉升工況的等效應(yīng)力云圖和最大變形云圖分別如圖9和圖10所示。

圖9 等效應(yīng)力云圖

圖10 最大變形云圖

最大等效應(yīng)力發(fā)生在尾部舉升裝置連接處，最大等效應(yīng)力值為158MPa，小于屈服極限；最大變形量為0.11mm。

4.4 吊裝工況

舉升裝置將翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)到工作角度后，由柔性懸掛裝置將背負(fù)的防噴修井設(shè)備吊起至自由懸掛狀態(tài)，然后與井口對接安裝。此刻對翻轉(zhuǎn)架尾部剛度和強(qiáng)度要求都非常高。吊裝工況時(shí)副車架等效應(yīng)力云圖和最大變形云圖分別如圖11和圖12所示。

圖11 等效應(yīng)力云圖

圖12 最大變形云圖

最大等效應(yīng)力發(fā)生在距離尾部第三根橫梁處，最大等效應(yīng)力值為157MPa，小于屈服極限；最大變形量為0.11mm。

結(jié)果表明，在純彎曲工況下，副車架的強(qiáng)度是足夠的；而在彎扭聯(lián)合工況和卸載工況下，出現(xiàn)了局部等效應(yīng)力過大的情況，但由于有懸架系統(tǒng)的彈性阻尼作用，極大地緩解了副車架在坑洼地面的扭曲變形，所以不會造成車架的疲勞斷裂，在副車架由寬變窄的過渡區(qū)域以及與舉升裝置連接部分需特別加強(qiáng)，后續(xù)應(yīng)針對副車架的應(yīng)力過大部位做進(jìn)一步的優(yōu)化。

5 結(jié) 語

針對防噴修井設(shè)備專用車設(shè)計(jì)了副車架，通過該副車架實(shí)現(xiàn)了載荷的合理分布，避免集中載荷，改善了主車架承載情況，同時(shí)沒有破壞主車架的結(jié)構(gòu)，這樣其最大承載量可以達(dá)到35t，解決了防噴修井設(shè)備專用車舉升、載重量需求大，結(jié)構(gòu)要求更合理的問題。最后，該副車架裝置還有很大的后續(xù)再開發(fā)、再優(yōu)化的空間，在以后的生產(chǎn)開發(fā)過程中，做到更大程度上滿足油氣修井作業(yè)工作的需要。通過對副車架的有限元分析，為防噴修井設(shè)備專用運(yùn)輸車整車設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，也為其他車輛的副車架設(shè)計(jì)提供了參考。

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