第四節(jié)　掛車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度和剛度分析

平板車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要相對(duì)簡(jiǎn)單,這里對(duì)半掛車的車架結(jié)構(gòu)和鵝頸結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行計(jì)算分析,以確定使用可靠。由于該車的車架和鵝頸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)計(jì)算方法難以得到精確的結(jié)果,因此將采用有限元方法來對(duì)車架和鵝頸結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

新型超長(zhǎng)自裝卸整體式運(yùn)輸車主要由動(dòng)力升降式鵝頸、液壓絞盤、中間連接平臺(tái)、三軸線單元車架及過渡爬梯等結(jié)構(gòu)組成,其中動(dòng)力升降式鵝頸、中間連接平臺(tái)、三軸線單元車架和過渡爬梯構(gòu)成了該運(yùn)輸車的車架部。車架是組合掛車的主要承載部位,掛車所承受的載荷以及各種專用設(shè)備都直接或間接地安裝在車架上,中間連接平臺(tái)作為車架的主體部分,且由于其超長(zhǎng)的尺寸,其強(qiáng)度及剛度特性分析是其設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵問題。

一、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車架根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為平板式、階梯式、凹梁式(或橋式)三種結(jié)構(gòu),見圖3?19。根據(jù)運(yùn)輸過程中公路對(duì)車輛高度的要求,為了保證運(yùn)輸車輛能順利通過涵洞,本節(jié)采用升降式結(jié)構(gòu)車架。采用此種結(jié)構(gòu)可以有效地降低整車的質(zhì)心高度,提高了行駛的穩(wěn)定性。

該車特點(diǎn)如下:

① 車架采用可伸縮的結(jié)構(gòu)。根據(jù)運(yùn)輸貨物的長(zhǎng)度調(diào)整車架的長(zhǎng)度,擴(kuò)大運(yùn)輸貨物的范圍。最大伸出長(zhǎng)度為6m,伸縮后用銷軸固定,該車配置了2種不同長(zhǎng)度的管組,伸出后用長(zhǎng)管組,完全收縮后用短管組,依次插入車架伸縮部位的兩端的快速接頭中。

② 貨臺(tái)具有可升降功能。前后部的升降分別通過前后鵝頸上的升降油缸實(shí)現(xiàn)。貨臺(tái)可由最低的地面高度升高300mm,在裝卸貨物時(shí)車架與地面接觸,同時(shí)罐體安裝在車架上可以提高車架剛度,減小變形。

③ 采用組合式可降低成本。牽引車選用大轉(zhuǎn)矩的半掛牽引車牽引。半掛車由前后鵝頸、伸縮式車架和尾部懸掛車架組成,各部分為通用件,整體可在運(yùn)輸貨物前組裝,通用率高。

新型超長(zhǎng)自裝卸整體式運(yùn)輸車是專為城市低地板有軌電車等超長(zhǎng)、超重貨物的運(yùn)輸而設(shè)計(jì)制造的,圖3?20所示為該運(yùn)輸車的整體結(jié)構(gòu),其主要由動(dòng)力升降式鵝頸、液壓絞盤、中間連接平臺(tái)、三軸線單元車架及過渡爬梯等結(jié)構(gòu)組成。該運(yùn)輸車采用了液壓懸架與動(dòng)力升降式鵝頸形成三點(diǎn)支撐,液壓全輪牽引轉(zhuǎn)向或液壓助力轉(zhuǎn)向,車架輕量化設(shè)計(jì),具有承載能力強(qiáng)、載貨平臺(tái)高度可調(diào)、輪軸負(fù)荷均勻、裝卸貨物方便等優(yōu)點(diǎn)。車輛承載平臺(tái)部分安裝有軌道,鵝頸部位安裝有液壓絞盤,可將城市低地板有軌電車通過過渡爬梯拽至車輛上方,完成有軌電車的裝載。

1—升降式鵝頸;2—液壓絞盤;3—中間連接平臺(tái);4—三軸線單元車架;5—過渡爬梯

1.動(dòng)力升降式鵝頸

圖3?21所示為運(yùn)輸車動(dòng)力升降式鵝頸的結(jié)構(gòu),其由牽引銷、牽引轉(zhuǎn)盤、牽引轉(zhuǎn)向缸、加載缸、加載梁和連接端梁等組成。動(dòng)力升降式鵝頸主體結(jié)構(gòu)為“L”形,鉸接于連接端梁,進(jìn)而可與后面的承載貨臺(tái)連接;牽引銷與牽引鞍座相連,使?fàn)恳嚺c半掛車連接,將牽引車的牽引力傳遞給半掛車;牽引轉(zhuǎn)盤通過帶動(dòng)牽引轉(zhuǎn)向缸,把牽引車的轉(zhuǎn)向參數(shù)轉(zhuǎn)化成液壓信號(hào),傳遞給后部的后端轉(zhuǎn)向缸,使后端轉(zhuǎn)向缸推動(dòng)轉(zhuǎn)向臂帶動(dòng)轉(zhuǎn)向拉桿動(dòng)作,進(jìn)而推動(dòng)轉(zhuǎn)向輪組做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向動(dòng)作;加載缸可以將懸掛液壓缸的油壓加載到牽引車上,實(shí)現(xiàn)“第五輪載荷”;鵝頸還可實(shí)現(xiàn)升降功能,通過加載缸的伸縮升降貨臺(tái)的前部以保持貨臺(tái)水平。

1—牽引銷;2—牽引轉(zhuǎn)盤;3—牽引轉(zhuǎn)向缸;4,6—加載梁;5—加載缸;7—連接端梁

2.中間連接平臺(tái)

該運(yùn)輸車的中間連接平臺(tái)為“井”字形框架結(jié)構(gòu),如圖3?22所示,由連接座總成、液壓支腿、內(nèi)縱梁、邊縱梁、邊梁、貫穿梁、滑軌及加強(qiáng)板組成。內(nèi)縱梁和邊縱梁作為連接平臺(tái)的主要承載結(jié)構(gòu)

1—連接座總成;2—液壓支腿;3—內(nèi)縱梁;4—邊縱梁;5—邊梁;6—貫穿梁;7—滑軌;8—加強(qiáng)板

,在運(yùn)輸車承載行駛過程中受彎曲應(yīng)力。為滿足其使用性能的要求,采用Q460高強(qiáng)度鋼制作,其中兩道邊縱梁采用具有很好抗彎性能的“箱型”結(jié)構(gòu),如圖3?23所示,內(nèi)縱梁采用“工”字形結(jié)構(gòu);在此基礎(chǔ)上對(duì)三道縱梁采用預(yù)拱設(shè)計(jì),使縱梁形狀向上凸起,具有一定預(yù)拱量,可以很大程度上增大縱梁承受彎曲應(yīng)力的能力,且抵消了連接平臺(tái)因自重和載荷作用下的撓度,使得連接平臺(tái)承載后正好處于壓平狀態(tài);邊縱梁的上翼面安裝滑軌,兩側(cè)邊梁為熱軋槽鋼,縱梁之間采用輕而密的貫穿梁連接,增加了整個(gè)連接平臺(tái)的扭轉(zhuǎn)剛度,同時(shí)還降低了與貫穿梁連接處的縱梁扭轉(zhuǎn)應(yīng)力;連接平臺(tái)兩端通過連接座分別與動(dòng)力升降式鵝頸和三軸線單元車架相連接,由于連接座部位的支座反力較大,為保證該區(qū)域具有足夠的承載強(qiáng)度,在連接座附近增加了加強(qiáng)板,且在一些拐角處通過采用圓弧過渡來減小局部的應(yīng)力集中。

3.過渡爬梯

運(yùn)輸車后端的過渡爬梯用于進(jìn)行貨物的裝卸,如圖3?24所示,過渡爬梯分成兩個(gè)模塊,前模塊和后模塊,每個(gè)模塊設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)軌距的升降導(dǎo)輪和千斤頂。過渡爬梯只有在運(yùn)輸車裝卸有軌電車時(shí)才安裝,當(dāng)用千斤頂將輪子降下來時(shí),導(dǎo)輪與軌道變成滑動(dòng)摩擦,方便爬梯在軌道上滑動(dòng),與前端三軸線單元車架拼接;裝卸有軌電車時(shí),用千斤頂將導(dǎo)輪升起,整個(gè)爬梯落到導(dǎo)軌上,使得過渡導(dǎo)軌工裝與拖車車輛及地面軌道有良好的連接,確保有軌電車上下車時(shí)縱向車廂的折角不大于3°。

1—前模塊;2—升降導(dǎo)輪;3—千斤頂;4—后模塊;5—導(dǎo)軌

二、三軸線單元模塊車

如圖3?25所示,三軸線單元模塊車是由三軸線單元模塊車車架、液壓懸掛和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成的獨(dú)立單元模塊。車架由箱型結(jié)構(gòu)的主梁以及若干橫梁和支撐梁焊接組成,為空間框架式結(jié)構(gòu),具有足夠的承載強(qiáng)度和剛度。車架前后為端橫梁,供與中間連接平臺(tái)連接或安裝操縱箱。車架橫梁端部有緊固貨物用的拉環(huán)及安裝液壓懸架管路的高壓截止閥、安全閥,大梁腹部的矩形口供布置轉(zhuǎn)向桿系用,大梁兩側(cè)用于裝設(shè)液壓、制動(dòng)管路。液壓懸掛如圖3?26所示,主要由旋轉(zhuǎn)立軸、懸臂、懸掛柱塞缸和平衡臂等部件組成,主要起到支撐貨物和升降貨臺(tái)高度的作用。懸臂通過一組平面止推滾動(dòng)軸承及兩只滑動(dòng)球關(guān)節(jié)軸承與懸掛立軸相連,承受分配到懸掛上的載荷,并在轉(zhuǎn)向拉桿牽引下能使輪軸靈活地旋轉(zhuǎn)一定角度,當(dāng)懸掛與轉(zhuǎn)向桿系脫開時(shí),該輪軸隨同懸掛可作360°回轉(zhuǎn),便于輪軸、輪胎的拆裝維修。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向支架、轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向拉桿和轉(zhuǎn)向液壓缸組成,主要起到轉(zhuǎn)向時(shí)推動(dòng)各轉(zhuǎn)向輪按要求進(jìn)行轉(zhuǎn)向的作用。

1—三軸線單元模塊車車架;2—液壓懸掛;3—轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

1—懸臂;2—懸掛柱塞缸;3—旋轉(zhuǎn)立軸;4—螺栓;5—平衡臂

三、連接平臺(tái)強(qiáng)度和剛度分析及預(yù)拱設(shè)計(jì)

目前,國(guó)內(nèi)外常見的軸線單元模塊及其拼車連接結(jié)構(gòu)都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,承載連接平臺(tái)的拼車連接結(jié)構(gòu)也與之相適應(yīng)。為了提高組合掛車的承載能力,在拼車結(jié)構(gòu)不變的情況下,國(guó)內(nèi)目前主要是采用高強(qiáng)度的材料和輕量化的方法。而在新型超長(zhǎng)自裝卸整體式運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,在采用高強(qiáng)度材料及輕量化的基礎(chǔ)上,通過對(duì)連接平臺(tái)縱梁采用預(yù)拱設(shè)計(jì),使連接平臺(tái)具有一定的預(yù)拱量來提高連接平臺(tái)的承載能力,以抵消連接平臺(tái)中心在自重及載荷作用下產(chǎn)生的撓度。增大運(yùn)輸車運(yùn)輸過程中的安全性和可靠性。

預(yù)拱量是為抵消梁、拱、桁架等結(jié)構(gòu)在載荷作用下產(chǎn)生的撓度,而在制造時(shí)所預(yù)留的與位移方向相反的校正量。具有一定預(yù)拱量的結(jié)構(gòu)密度小、跨度大,并且可以充分利用材料的強(qiáng)度,在全跨載荷作用下具有承載力強(qiáng)、變形小的優(yōu)點(diǎn)。

新型超長(zhǎng)自裝卸整體式運(yùn)輸車的承載能力是由動(dòng)力升降式鵝頸、三軸線單元車架、中間連接平臺(tái)及其與單元模塊車和動(dòng)力升降式鵝頸的拼車連接結(jié)構(gòu)的承載能力共同決定的。由于運(yùn)輸車具有超長(zhǎng)連接平臺(tái)及車體長(zhǎng)度的特點(diǎn),而連接平臺(tái)作為主要的承載平臺(tái),其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的大小直接決定了運(yùn)輸車承載能力的大小。因此,下面通過對(duì)未采用預(yù)拱設(shè)計(jì)的連接平臺(tái)和采用預(yù)拱設(shè)計(jì)的連接平臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度對(duì)比分析,就連接平臺(tái)縱梁采用預(yù)拱設(shè)計(jì)對(duì)提高運(yùn)輸車在運(yùn)輸貨物過程中的抗彎能力及承載能力進(jìn)行說明。

1.有限元建模及網(wǎng)格劃分

通過三維繪圖軟件Pro/Engineer對(duì)未采用預(yù)拱設(shè)計(jì)的連接平臺(tái)進(jìn)行三維實(shí)體建模,如圖3?27所示,并通過ANSYS Workbench與Pro/Engineer的數(shù)據(jù)交換接口將三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中。在不影響連接平臺(tái)主要力學(xué)特性和分析精度的前提下,對(duì)連接平臺(tái)的三維實(shí)體模型進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化:

① 省略非承載部件和一些對(duì)連接平臺(tái)剛度及強(qiáng)度影響不大的結(jié)構(gòu)。如液壓支腳連接板和固定板,其不起支撐作用,且對(duì)連接平臺(tái)的強(qiáng)度大小并沒有影響。

② 簡(jiǎn)化一些影響不大的小孔。如管路固定板上的孔,用于固定液壓管路,對(duì)連接平臺(tái)的強(qiáng)度大小影響不大。

選擇連接平臺(tái)的材料為鋼結(jié)構(gòu)材料,并對(duì)導(dǎo)入后的幾何模型進(jìn)行檢查及幾何清理,消除不必要的細(xì)節(jié)特征,提高網(wǎng)格的劃分質(zhì)量和速度,從而提高計(jì)算精度。有限元分析模型的準(zhǔn)確程度以及模型規(guī)模是否合適,對(duì)連接平臺(tái)結(jié)構(gòu)的分析至關(guān)重要。圖3?28所示為連接平臺(tái)的網(wǎng)格劃分圖,完成網(wǎng)格劃分后的連接平臺(tái)被劃分為193597個(gè)節(jié)點(diǎn),92261個(gè)實(shí)體單元。

2.約束及載荷的確定

有軌電車的重量通過車輪與運(yùn)輸車邊縱梁上的導(dǎo)軌接觸將載荷作用在平臺(tái)的導(dǎo)軌上,連接平臺(tái)通過兩端的連接座分別與動(dòng)力升降式鵝頸和三軸線單元模塊車的連接座以銷軸連接固定,連接座下端有連接銷孔和連接銷座,平臺(tái)所受載荷通過兩端的連接座傳遞給動(dòng)力升降式鵝頸和三軸線單元模塊車。

運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)載荷為55t,實(shí)際裝載50t,但作用在連接平臺(tái)上的載荷為35t,其余15t載荷直接作用在三軸線單元模塊車上。由于只對(duì)連接平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析,不考慮三軸線模塊單元,因此只對(duì)連接平臺(tái)施加35t的載荷。

進(jìn)行有限元強(qiáng)度及剛度分析時(shí),對(duì)連接平臺(tái)兩端的連接座銷軸孔分別施加圓柱面約束,限制其軸向和徑向兩個(gè)方向的自由度,切向方向設(shè)置為自由狀態(tài),模擬圓柱銷對(duì)連接平臺(tái)的約束作用。對(duì)連接平臺(tái)的導(dǎo)軌分別施加20t和15t的跨距載荷作用,模擬有軌電車車輪對(duì)導(dǎo)軌的載荷作用,同時(shí)添加連接平臺(tái)自身的重力作用。連接平臺(tái)的約束及載荷情況如圖3?29所示。

3.強(qiáng)度和剛度分析及預(yù)拱設(shè)計(jì)

由于約束部分與實(shí)際支撐存在一定差距,導(dǎo)致約束周邊的應(yīng)力不真實(shí),且這里的主要研究目的為縱梁及貫穿梁部分的強(qiáng)度及彎曲剛度,則在進(jìn)行連接平臺(tái)形變位移和應(yīng)力分布求解時(shí),不考慮約束周邊的結(jié)構(gòu)。

考慮一定的安全系數(shù),則連接平臺(tái)的許用應(yīng)力[σ]可按下述公式計(jì)算:

[σ]=(3?5)

式中　σ_s——連接平臺(tái)的屈服強(qiáng)度,MPa;

　　n——安全系數(shù)。

新型超長(zhǎng)自裝卸整體式運(yùn)輸車連接平臺(tái)的縱梁采用Q460高強(qiáng)度鋼制作,屈服強(qiáng)度σ_s=460MPa,邊梁和貫穿梁采用16Mn,屈服強(qiáng)度σ_s=350MPa,取安全系數(shù)n=1.4;將參數(shù)取值代入公式(3?5)計(jì)算可得連接平臺(tái)縱梁的許用應(yīng)力[σ]=329MPa,邊梁和貫穿梁的許用應(yīng)力[σ]=257MPa。

由于連接平臺(tái)超長(zhǎng)的尺寸,還應(yīng)考慮其撓度,連接平臺(tái)縱梁的彎曲變形,取決于縱梁的剛度,在靜載情況下,允許縱梁的最大變形量為:

y_max=(0.002~0.003)L(3?6)

式中　y_max——縱梁的最大變形量,m;

　　L——連接平臺(tái)的跨距,m。

連接平臺(tái)跨距為24780mm,則可得縱梁最大變形量為y_max=74.34mm。

完成約束與載荷的施加后,對(duì)未采用預(yù)拱設(shè)計(jì)的連接平臺(tái)的形變位移及應(yīng)力分布進(jìn)行求解,可得其位移圖解如圖3?30所示,應(yīng)力圖解如圖3?31所示。

由以上求解結(jié)果可知,在載荷及自身重力的靜態(tài)作用下,未采用預(yù)拱設(shè)計(jì)的連接平臺(tái)的最大形變位移發(fā)生在中間位置,為102.43mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其最大變形量的允許值;最大應(yīng)力發(fā)生在靠近端部的加強(qiáng)板部位,如圖3?32所示,為238.35MPa,小于其許用應(yīng)力值。連接平臺(tái)的強(qiáng)度滿足規(guī)定要求,但是縱梁的最大變形量卻不滿足要求,說明縱梁的彎曲剛度不足,針對(duì)如此情況,不改變縱梁的制作材料,對(duì)縱梁采用預(yù)拱設(shè)計(jì),使縱梁具有一個(gè)向上的預(yù)拱量,以抵消其在承載時(shí)的撓度。

根據(jù)上述有限元求解結(jié)果,未采用預(yù)拱設(shè)計(jì)的連接平臺(tái)在載荷及自重作用下的形變位移為102.43mm,則對(duì)縱梁采用預(yù)拱設(shè)計(jì),預(yù)拱量為110mm,在相同約束及載荷條件下,對(duì)具有110mm預(yù)拱量的連接平臺(tái)進(jìn)行有限元分析求解,可得其位移圖解如圖3?33所示,應(yīng)力圖解如圖3?34所示。

由以上求解結(jié)果可知,在載荷及自身重力的靜態(tài)作用下,具有110mm預(yù)拱量的連接平臺(tái)的最大形變位移發(fā)生在中間位置,為72.232mm,被110mm的預(yù)拱量抵消后依然具有37.768mm的上拱量;最大應(yīng)力也發(fā)生在加強(qiáng)板部位,如圖3?35所示,為218.46MPa,小于其許用應(yīng)力值。

通過對(duì)比分析未采用預(yù)拱設(shè)計(jì)的連接平臺(tái)與具有110mm預(yù)拱量的連接平臺(tái)的位移圖解和應(yīng)力圖解可知,采用高強(qiáng)度鋼材料的連接平臺(tái)滿足運(yùn)輸車承載的強(qiáng)度要求,但是在不采用預(yù)拱設(shè)計(jì)的情況下,縱梁的彎曲剛度不滿足要求,在自重及載荷作用下中間位置的彎曲變形量太大。為增大縱梁的彎曲剛度,減小其中間位置的撓度,對(duì)縱梁采用了預(yù)拱設(shè)計(jì)。對(duì)縱梁采用110mm的預(yù)拱量設(shè)計(jì)后,在相同約束和承載條件下,相比未采用預(yù)拱設(shè)計(jì)的情況,連接平臺(tái)的最大形變位移明顯減小,且經(jīng)預(yù)拱量抵消后依然具有少許上拱,使得連接平臺(tái)在自重及載荷作用下接近壓平狀態(tài)而不會(huì)下彎,最大應(yīng)力值也有所減小,使得連接平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度均明顯增大,從而滿足規(guī)定要求。由此可得,采用預(yù)拱設(shè)計(jì)可以提高連接平臺(tái)的彎曲剛度,減小其最大撓度,使得運(yùn)輸車裝載后正好可將車架壓平而不下彎,同時(shí)還可以改善連接平臺(tái)的應(yīng)力分布,增大了連接平臺(tái)的承載能力,從而使運(yùn)輸車在運(yùn)輸過程中具有更高的安全性和可靠性。

小結(jié):本章對(duì)新型超長(zhǎng)自裝卸整體式運(yùn)輸車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹,通過三維繪圖軟件Pro/Engineer建立了中間連接平臺(tái)的三維實(shí)體模型,并將其導(dǎo)入ANSYS Workbench中。根據(jù)運(yùn)輸車實(shí)際運(yùn)輸過程中的約束及載荷情況,建立了連接平臺(tái)的有限元模型,求解得到未采用預(yù)拱設(shè)計(jì)的連接平臺(tái)的形變位移及應(yīng)力分布,根據(jù)求解結(jié)果對(duì)連接平臺(tái)采用了預(yù)拱設(shè)計(jì);然后對(duì)比分析了兩種不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下的有限元求解結(jié)果,說明對(duì)連接平臺(tái)采用預(yù)拱設(shè)計(jì)可以增大其彎曲剛度和強(qiáng)度,提高整車的承載能力,進(jìn)而保證了運(yùn)輸車運(yùn)輸過程中的安全性和可靠性。