楊珍 余偉 王以文

摘 要：通過市場(chǎng)反饋對(duì)自卸車車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)進(jìn)行故障初步判斷，確定了車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中的使用工況，利用有限元分析軟件Hyper Mesh 2017對(duì)其進(jìn)行前處理網(wǎng)格劃分和邊界條件的施加，并采用軟件自帶求解器OptiStruct對(duì)車廂鎖鉤機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析求解，計(jì)算常規(guī)工況與極限工況下車廂鎖鉤機(jī)構(gòu)的最大位移和應(yīng)力分布。通過結(jié)果分析，最終確定了故障的真實(shí)原因，并對(duì)改進(jìn)后的方案進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了改進(jìn)方案的合理性。研究結(jié)果顯示： 車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)故障的主要原因是用戶在車輛滿載時(shí)沒有按要求對(duì)車廂后板邊鎖鉤進(jìn)行鎖止導(dǎo)致，由于此類現(xiàn)象比較常見，為了從根源上解決此問題，車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)在強(qiáng)度校核時(shí)加入了極限工況。市場(chǎng)驗(yàn)證表明，此方法對(duì)解決用戶因操作不規(guī)范導(dǎo)致的故障問題切實(shí)有效。

關(guān)鍵詞：有限元分析 車廂鎖鉤機(jī)構(gòu) 極限工況 自由度 最大位移 應(yīng)力分布

1 前言

自卸車車廂后板與底板和邊板通過鎖鉤進(jìn)行固定連接，該鎖鉤機(jī)構(gòu)即保證了車輛在滿載正常行駛時(shí)車廂整體的連接緊固性，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了車廂后板在舉升過程中能順利打開方便卸貨的作用。

針對(duì)某自卸車車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)在使用過程中鎖鉤連接板出現(xiàn)較大塑性變形，導(dǎo)致車輛滿載時(shí)車廂后板與底板之間間隙過大，造成貨物泄漏，根據(jù)市場(chǎng)故障反饋，用戶在使用過程時(shí)常出現(xiàn)車廂滿載時(shí)邊鎖鉤沒有手動(dòng)鎖止現(xiàn)象，為了排查故障原因是因?yàn)檫呮i鉤沒有手動(dòng)鎖止造成還是鎖鉤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致，現(xiàn)對(duì)車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬分析，通過對(duì)常規(guī)工況和極限工況下車廂鎖鉤機(jī)構(gòu)的位移變化和應(yīng)力分布進(jìn)行分析比較，確定故障產(chǎn)生的主要原因，并通過合理的設(shè)計(jì)改進(jìn)消除故障。

2 車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)有限元模型

某自卸車車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)有限元模型，模型主要包含：左側(cè)邊板局部、右側(cè)邊板局部、底板局部、后板總成、鎖鉤、手動(dòng)邊鎖鉤、鎖鏈等。貨箱整體內(nèi)部尺寸6200×2300×1500mm，鎖鉤材料為20Mn，鎖鉤連接板及貨箱內(nèi)測(cè)板材料為610L，其他材料為Q235B。

對(duì)于薄板類零件采用尺寸為10mm的殼單元進(jìn)行離散，非薄板類零件優(yōu)先采用六面體網(wǎng)格離散，離散較困難的，非關(guān)注件采用一階四面體網(wǎng)格劃分，重點(diǎn)關(guān)注件采用二階四面體網(wǎng)格劃分。鎖鏈采用beam單元模擬，與鎖鉤轉(zhuǎn)軸連接處釋放Y向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，車廂后板上端翻轉(zhuǎn)支座轉(zhuǎn)軸處釋放Y向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，各零件之間的焊接關(guān)系按照實(shí)際要求采用rbe3+penta+rbe3單元模擬，鎖鉤與后板下邊框采用GAP單元模擬接觸關(guān)系。模型單元總數(shù)為301578，其中三角形單元數(shù)量為362，占總單元數(shù)的0.12%。

3 車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 工況定義

在自卸車車廂鎖鉤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 需要考慮鎖鉤機(jī)構(gòu)在極限工況下的位移量和強(qiáng)度， 要保證車廂鎖鉤機(jī)構(gòu)在使用過程中不能發(fā)生永久變形并且總變形不宜過大。為排查自卸車車廂鎖鉤連接板故障原因，需要進(jìn)行以下工況分析：

工況1（常規(guī)工況）：自卸車在坡度為16.7°的路面上滿載35噸行駛，車廂后板邊鎖鉤處于鎖止?fàn)顟B(tài)。約束貨箱端部截面處123456自由度和鎖鏈端部123自由度。

工況2（極限工況）：自卸車在坡度為16.7°的路面上滿載35噸行駛，車廂后板邊鎖鉤處于打開狀態(tài)。約束貨箱端部截面處123456自由度和鎖鏈端部123自由度。

對(duì)于工況1和工況2中的車廂載荷，利用受力平衡分析進(jìn)行提取。將貨物簡化為一個(gè)均質(zhì)長方塊，放置在16.7°的斜坡上（此角度為故障車常出現(xiàn)的工作最大坡度），假設(shè)貨物與底板之間無摩擦力，進(jìn)行如下受力分析，求出貨物對(duì)后板的作用力Fn2和貨物對(duì)底板的作用力Fn1，再轉(zhuǎn)化為貨物對(duì)貨箱內(nèi)板的壓強(qiáng)作為施加載荷。

3.2 結(jié)果分析

工況1（常規(guī)工況）的計(jì)算結(jié)果如圖1所示，邊鎖鉤鎖止的情況下，應(yīng)力集中在鎖鉤與連接板處，最大等效應(yīng)力為385.9MPa，鎖鉤最大位移為8.6mm。

工況2（極限工況）的計(jì)算結(jié)果如圖2所示，該工況載荷加載方式和工況1相同，不同之處在于邊鎖鉤處于打開狀態(tài)。應(yīng)力集中在鎖鉤與連接板處，最大等效應(yīng)力為672.9MPa，鎖鉤最大位移為14.8mm。

兩種工況下車廂后板鎖鉤機(jī)構(gòu)的受力和變形趨勢(shì)詳見表1，可以更加直觀對(duì)兩種工況受力趨勢(shì)做詳細(xì)的對(duì)比分析。

由上述分析結(jié)果可知，工況1下鎖鉤連接板的最大應(yīng)力小于其材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)1.29，滿足強(qiáng)度要求，不會(huì)發(fā)生塑性變形;工況2下鎖鉤連接板的最大應(yīng)力明顯超過其材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)只有0.74，不滿足強(qiáng)度要求，會(huì)發(fā)生塑性變形，且工況2鎖鉤最大位移明顯大于工況1，由此可見車廂鎖鉤連接板出現(xiàn)較大塑性變形的主要原因很是由于車廂滿載時(shí)邊鎖鉤沒有鎖止導(dǎo)致中間鎖鉤機(jī)構(gòu)受力偏大，在長時(shí)間的累積下形成了較大永久變形，使車廂后板與底板間隙逐漸增大，出現(xiàn)貨物泄漏。為了解決用戶使用時(shí)沒有鎖止邊鎖鉤造成的故障問題，現(xiàn)考慮在邊鎖鉤沒有鎖止的條件下，對(duì)鎖鉤連接板局部進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4 改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 改進(jìn)后模型

原始鎖鉤連接板為單L板結(jié)構(gòu)，抵抗因鎖鉤變形產(chǎn)生Y向扭矩的能力不足，現(xiàn)改進(jìn)后在鎖鉤連接板內(nèi)部增加一個(gè)U型槽板，厚度為5mm，與周邊件進(jìn)行焊接相連，改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖3所示。

4.2 改進(jìn)后結(jié)果分析

改進(jìn)后，按照工況2的邊界工況進(jìn)行加載，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。應(yīng)力集中部位發(fā)生改變，主要集中在L板背面上，最大等效應(yīng)力為419.7 MPa，鎖鉤最大位移為11.1mm。

由結(jié)果可知，改進(jìn)后鎖鉤連接板的最大應(yīng)力小于其材料的屈服強(qiáng)度500Mpa，安全系數(shù)1.19，滿足強(qiáng)度要求，不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。鎖鉤最大位移相比工況2減小了25%。同時(shí)改進(jìn)結(jié)構(gòu)已實(shí)施到實(shí)車當(dāng)中，目前市場(chǎng)驗(yàn)證未再反饋相關(guān)問題，很好的彌補(bǔ)了用戶因操作不規(guī)范導(dǎo)致的過大塑性變形問題。市場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果也證明了該結(jié)構(gòu)改進(jìn)的可行性。

5 結(jié)論

通過有限元分析，對(duì)自卸車車廂后板鎖鉤連接板強(qiáng)度不足問題進(jìn)行了故障再現(xiàn)，分析結(jié)果與故障位置比較吻合。同時(shí)結(jié)合市場(chǎng)反饋，找到了故障產(chǎn)生的真實(shí)原因，即用戶在車輛滿載時(shí)沒有對(duì)車廂后板邊鎖鉤進(jìn)行鎖止導(dǎo)致。由于此類現(xiàn)象比較常見，為了從根源上解決此問題，在鎖鉤連接板強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)加入了極限工況，市場(chǎng)驗(yàn)證表明，此方法對(duì)解決用戶因操作不規(guī)范導(dǎo)致的故障問題切實(shí)有效，大大降低了相關(guān)問題的故障率反饋。

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