戈 超，時維方，張 珂，寧 冉，馮漢隊

（徐州徐工礦山機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

大型礦用電傳動自卸車（簡稱“礦車”）主要用于露天礦山、有色金屬礦山、大型水利工程等，承擔(dān)著世界40%的煤、90%的鐵礦的運輸，其載重量已經(jīng)達(dá)到360噸，整車重量超過600噸。礦車工作環(huán)境極其惡劣，承受不平路面、重載沖擊、緊急轉(zhuǎn)彎及制動等極限載荷的聯(lián)合交變作用。轉(zhuǎn)向節(jié)為礦車前軸的主要部件，連接懸掛、輪轂和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，承受路面沖擊載荷、輪胎制動力矩以及轉(zhuǎn)向力矩，所受載荷情況極其復(fù)雜，礦車轉(zhuǎn)向節(jié)折斷事故時有發(fā)生。因此對轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、可靠性等性能有著極高的要求[1-3]。本文選取礦山作業(yè)的幾種典型工況，進行結(jié)構(gòu)有限元分析，對結(jié)果進行

分析研究，并引進多段圓弧設(shè)計理念優(yōu)化轉(zhuǎn)向節(jié)根部結(jié)構(gòu)，降低應(yīng)力集中。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元建模

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型

本文研究對象為某公司載重360噸級電傳動自卸車轉(zhuǎn)向節(jié)，該轉(zhuǎn)向節(jié)一端為軸承安裝軸頭，輪轂通過兩端軸承連接在轉(zhuǎn)向節(jié)上，另一端為油氣懸掛安裝孔和轉(zhuǎn)向節(jié)臂安裝座，中部為四個制動器安裝座。本研究采用pro/E軟件建立轉(zhuǎn)向節(jié)模型，如圖1所示。

針對電傳動自卸車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用四面體網(wǎng)格劃分網(wǎng)格。轉(zhuǎn)向節(jié)的材料為42CrMo優(yōu)質(zhì)合金鋼，材料屬性如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)向節(jié)材料屬性

2 轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)強度分析

根據(jù)礦用電傳動自卸車轉(zhuǎn)向節(jié)實際運行過程中的受力情況，選取三種典型的危險工況進行等效靜力學(xué)分析，分別為：

（1）2G工況，自卸車通過不平路面，用2倍動載荷等效車體受力，轉(zhuǎn)向節(jié)主要承受地面的垂向反力；

（2）制動工況，緊急制動時，轉(zhuǎn)向節(jié)承受地面垂向力、縱向反力和輪胎作用的附加力矩；

（3）轉(zhuǎn)彎工況，自卸車轉(zhuǎn)彎時，會產(chǎn)生側(cè)向慣性力，轉(zhuǎn)向節(jié)受到垂向力、側(cè)向反力及由側(cè)向力產(chǎn)生的附加力矩。計算載荷時，先根據(jù)整車參數(shù)計算出輪胎與地面接觸中心處的受力，然后將力和力矩分配到軸承安裝面和力矩中心。

2.1 2G工況

2G工況下前輪胎受力情況如圖2（a）所示，將垂向載荷分配到轉(zhuǎn)向節(jié)兩個軸承安裝面進行有限元分析，轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖如圖2（b）所示。

轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸承安裝軸根部和懸掛安裝孔前后側(cè)面，應(yīng)力值約為220MPa，對比轉(zhuǎn)向節(jié)材料，其安全系數(shù)n=4.2，此時轉(zhuǎn)向節(jié)強度滿足要求。

圖2（a） 2G工況下前輪胎受力圖

圖2（b） 2G工況下轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

2.2 制動工況

制動工況下前輪胎受力情況如圖3（a）所示，將垂向載荷分配到轉(zhuǎn)向節(jié)兩個軸承安裝面、縱向制動力轉(zhuǎn)化為前輪中心處的縱向力和彎矩，轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖如圖3（b）所示。轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸承安裝軸根部和懸掛安裝孔前后側(cè)面，應(yīng)力值約為255MPa，其安全系數(shù)n=3.6，此時轉(zhuǎn)向節(jié)強度滿足要求。

圖3(a) 制動工況下前輪胎受力圖 圖3(b) 制動工況下轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

2.3 轉(zhuǎn)彎工況

轉(zhuǎn)彎工況下前輪胎受力情況如圖4（a）所示，車輛左、右前輪將分別受到一對大小不等、方向相同的側(cè)向力。轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖如圖4（b）所示。轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸承安裝軸根部，應(yīng)力值約為280MPa，其安全系數(shù)n=3.3，此時轉(zhuǎn)向節(jié)強度仍滿足要求。

圖4（a） 轉(zhuǎn)彎工況下前輪胎受力圖

圖4（b） 轉(zhuǎn)彎工況下轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

3 轉(zhuǎn)向節(jié)軸根部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上一節(jié)分析可知，受力最大的區(qū)域在轉(zhuǎn)向節(jié)軸根部，存在比較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。文獻[4]提出，根據(jù)橢圓線型階梯軸過渡理論，使用（x/b）n+（（y-a）/a）n=1橢圓方程（式中，x，y為坐標(biāo)軸，a，b為橢圓短、長軸，n為指數(shù)）設(shè)計軸肩過渡曲線，可以減小應(yīng)力集中。本研究對a，b取不同值進行分析，在一定范圍內(nèi)獲得轉(zhuǎn)向節(jié)軸肩過渡圓弧橢圓曲線的最優(yōu)解，將原設(shè)計R40圓弧優(yōu)化為a=20，b=100的橢圓線，根部應(yīng)力降低約15%，根據(jù)工程經(jīng)驗，應(yīng)力降低15%，其疲勞壽命可提高約1倍。

圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)軸肩處橢圓過渡曲線示意圖

圖6 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

利用有限元方法完成了礦用電傳動自卸車轉(zhuǎn)向節(jié)在三種典型的危險工況下的結(jié)構(gòu)強度計算，分析結(jié)果表明：三種危險工況下轉(zhuǎn)向節(jié)所承受的最大應(yīng)力不超過轉(zhuǎn)向節(jié)材料的屈服強度極限，滿足設(shè)計要求，同時還留有一定的余量，即使礦車運行過程中出現(xiàn)短暫的兩種工況同時出現(xiàn)的狀況，也不會超出其強度極限。采用橢圓線型圓弧根部過渡曲線可以顯著降低應(yīng)力集中，有助于提升轉(zhuǎn)向節(jié)的抗疲勞性能。