第三節(jié)　模塊車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

自行式模塊軸線運輸車是在普通牽引平板車的基礎(chǔ)上,隨著液壓技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種自行式、可裝卸的高端產(chǎn)品。這種多軸線運輸車和動力平板車一樣,不需要牽引車牽引,可以實現(xiàn)自行駛功能。它主要由兩部分組成:動力模塊單元(PPU)及帶驅(qū)動的軸線模塊單元(承載單元)。其中動力模塊單元為整部車提供動力。而軸線模塊單元作為承載單元,主要起承載運輸貨物的作用,多個承載單元可以實現(xiàn)串并聯(lián)拼車工作。模塊車的工作環(huán)境如下:

① 環(huán)境溫度　最高氣溫40℃,最低氣溫-20℃。

② 環(huán)境濕度　最大相對濕度95%。

③ 工作風(fēng)級　小于等于六級。

圖3?9所示為模塊車的整車結(jié)構(gòu)圖。

1—動力單元;2—制動氣室;3—懸掛機構(gòu);4—驅(qū)動軸線;5—轉(zhuǎn)向機構(gòu);6—車架;7—從動軸線

一、模塊車動力單元設(shè)計

模塊軸線運輸車的動力單元位于車的最前端,整個動力單元長3085mm,寬2990mm,高850mm。動力單元與后邊的承載單元用銷軸鉸接。另有兩個對稱布置的液壓缸,在模塊車爬坡時,根據(jù)坡度不同,調(diào)節(jié)這兩個液壓缸的伸縮量,使其推動動力單元提升一定的角度。發(fā)動機位于動力單元的中間位置,考慮到整車的高度限制,本車采用了奔馳的臥式發(fā)動機,功率為300kW。該發(fā)動機起步性能好,加速快,爬坡能力強,并且油耗小,比國內(nèi)同類產(chǎn)品低20%,滿足歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)。閉式泵和開式泵通過分動箱連接到發(fā)動機上,分別為驅(qū)動馬達和轉(zhuǎn)向、懸掛液壓缸提供動力。動力單元液壓管路與承載單元液壓管路通過快速接頭連接,快速接頭通過一個支架固定在液壓油箱的上方,整個液壓管路布置整潔、美觀。動力單元的側(cè)面擋板上開有散熱孔,頂部有蓋板蓋著。另外液壓油箱、燃油箱、液壓冷卻系統(tǒng)、電控柜以及氣動控制閥等也安裝在動力單元中。圖3?10為模塊車動力單元的布置圖,相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表3?3。

1—冷卻器;2—電控柜;3—氣動閥;4—發(fā)動機;5—燃油箱;6—閉式泵;7—開式泵;8—液壓油箱

二、模塊車承載單元設(shè)計

表3?4所示為模塊車承載單元的技術(shù)參數(shù)。

　　模塊車承載單元長9440mm,寬3000mm,重34t,總共有六個軸線,中間四個軸線為驅(qū)動軸,驅(qū)動車橋里裝有馬達減速器,為整車行走提供動力。邊上兩個軸線為從動軸,安裝有制動氣室,實現(xiàn)模塊車的駐車制動和緊急制動。

承載單元采用縱橫網(wǎng)格加強型軸線車架。車架下面自頂向下依次安裝有轉(zhuǎn)向液壓缸、轉(zhuǎn)向臂、懸掛架、懸掛柱塞缸、平衡臂、驅(qū)動/從動橋、輪胎。整個承載單元呈前后、左右對稱布置,外形美觀,承載均勻。車架、懸掛機構(gòu)等主要承載構(gòu)件采用了Q690高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼,使得車在相同負載下重量更輕,大大提高了其機動性能。車架主梁高度約為700mm,位于車輛中心軸線上,為整體式無焊接工字梁,具有很好的抗彎、抗扭能力。副梁采用高強度鋼焊接而成,與主梁一起構(gòu)成模塊車的承載結(jié)構(gòu)架。

三、模塊式液壓運輸車車架機械結(jié)構(gòu)分析

圖3?11所示為模塊式運輸車車架結(jié)構(gòu)圖。模塊車額定載荷200t,車架全長9.3m,寬3m,高0.7m,軸距1.55m,為魚骨式結(jié)構(gòu)。模塊車車架由主梁、副梁、橫梁、斜支撐、連接架、端梁等焊接而成,其中主梁、副梁、橫梁為焊接式箱型梁結(jié)構(gòu)。

1—主梁;2—副梁;3—橫梁;4—斜支撐;5—連接架;6—端梁

模塊車車架的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,在滿足車架主要力學(xué)特征的條件下,為加快網(wǎng)格劃分速度,控制求解的規(guī)模,保證模型劃分網(wǎng)格時單元的質(zhì)量和數(shù)量,有必要對模塊車車架進行適量簡化。根據(jù)前面所述有限元模型簡化原則,對模塊車車架進行了如下簡化:

① 除去模型上承載力很小的構(gòu)件和非承載構(gòu)件,如車架兩邊蓋板、斜支撐旁蓋板、快換接頭連接架等;

② 除去車架與液壓懸架連接處的螺栓孔以及車架上的一些倒圓角等。

車架簡化后的三維實體模型如圖3?12所示。

四、模塊式液壓運輸車車架機械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析

所謂結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析,是指結(jié)構(gòu)在固定不變的載荷作用下計算結(jié)構(gòu)對載荷的響應(yīng),它既不考慮阻尼和慣性對結(jié)構(gòu)的影響,也不考慮載荷隨時間的變化。通過對車架結(jié)構(gòu)進行有限元靜態(tài)分析,確定模塊車車架各結(jié)構(gòu)件在載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布狀況。設(shè)計人員可以校核車架是否滿足各種工況下的強度、剛度要求,反過來,有限元分析結(jié)果作用于設(shè)計過程,可使零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計更加具有目的性,受力、質(zhì)量分布更加合理。

結(jié)構(gòu)強度有限元靜態(tài)分析,使得設(shè)計人員對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在每種工況所確定的載荷的作用下其結(jié)構(gòu)的強度、剛度及穩(wěn)定性情況有一個全面而準(zhǔn)確的了解,根據(jù)計算所得到的結(jié)構(gòu)上各處位移和應(yīng)力的分布結(jié)果,結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范,判斷所設(shè)計的結(jié)構(gòu)可靠性和經(jīng)濟性,在此基礎(chǔ)上進行改進或優(yōu)化設(shè)計,從而避免某些結(jié)構(gòu)或零部件由于過大的應(yīng)力或壓曲失穩(wěn)而損壞,并控制機械結(jié)構(gòu)整體及其零部件的剛性性能。另外,對于那些所受應(yīng)力較小、結(jié)構(gòu)材料利用不充分的區(qū)域,可以結(jié)合加工和制造工藝的實際情況進行材料板厚減薄、截面尺寸減小等,從而達到降低成本的目的。

作為強度校核基準(zhǔn),以材料發(fā)生塑性變形作為材料失效的標(biāo)準(zhǔn),因此可以按照第四強度理論對車架進行靜態(tài)強度校核,選擇Von Mises等效應(yīng)力來校核車架結(jié)構(gòu)的強度:

σ_r=(3?1)

式中　σ₁、σ₂、σ₃——第一、第二、第三主應(yīng)力。

對模塊車車架進行有限元分析,步驟如下:

① 定義分析類型　分析類型為Static Structural。

② 定義材料屬性　整車采用Q690D結(jié)構(gòu)件焊接而成,Q690D各項性能參數(shù)如表3?5所示。

由強度條件可知:

σ_r≤≤=345(MPa)(3?2)

式中　[σ]——材料的許用應(yīng)力,MPa;

　　n——安全系數(shù),此處取2。

③ 劃分網(wǎng)格　采用智能化網(wǎng)格劃分方法,由于六面體網(wǎng)格單元具有求解精度高、所需網(wǎng)格單元數(shù)量少等優(yōu)點,因此整車網(wǎng)格單元網(wǎng)格類型設(shè)定為六面體網(wǎng)格單元。車架網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3?13所示。

④ 施加約束、載荷

a.約束處理。根據(jù)實際中載重運輸車載重后的受力分析,對第二軸與第五軸懸掛處進行全約束,其他四軸約束懸掛處x、z方向平動位移。

b.載荷處理。

模塊車自重:設(shè)重力加速度為9.8m/s2,ANSYS Workbench會根據(jù)材料屬性里設(shè)定的材料密度、整車的體積自動計算出整車的自重。

模塊車額定載荷:模塊車的額定載荷為200t,根據(jù)模塊車運輸物件的實際情況,加載工況分兩種,如圖3?14所示。

均布加載,即模塊車承受的載荷均勻分布在整個車架上。當(dāng)運輸物件較為規(guī)則,可直接將物件置于車輛之上,此種加載方式即為均布加載,如在運輸大型船舶分段時即可視為此種加載方式。

模塊車第二、第五軸線處集中加載。當(dāng)模塊車運輸大型圓柱狀物件時,其運輸方式為先將兩個半圓形鋼架支撐架構(gòu)置于模塊車上,再將貨物置于兩個半圓形鋼架支撐架構(gòu)上,以實現(xiàn)貨物的運輸,如運輸大型石化設(shè)備蒸餾塔即為此種加載方式。

因此,模塊車兩種加載工況下有限元模型的約束受力圖如圖3?15所示。

⑤ 求解、分析　經(jīng)過ANSYS Workbench求解,分別得到模塊車在兩種不同加載方式下車架的等效應(yīng)力云圖Equivalent(Von Mises)Stress和位移變形云圖Total Deformation。圖3?16所示為均布加載下的等效應(yīng)力云圖和位移變形云圖;圖3?17所示為第二、第五軸線處集中加載下的等效應(yīng)力云圖和位移變形云圖。

圖3?17中,工況(a)加載條件下,其最大應(yīng)力為218MPa,位于第二、第五軸線處模塊車車架與懸掛連接處,小于材料的屈服極限,其他部位應(yīng)力大約為48MPa以下,因此滿足材料許用應(yīng)力。最大位移量為10mm,出現(xiàn)在車架端部,但變形量相對于整車長度來說比較低。可以看出,工況(a)加載條件下的模塊車車架除了幾個局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中外,整車其余部位的應(yīng)力水平并不高,其變形量相對也較低,因此材料并未得到充分利用。

工況(b)加載條件下,其最大應(yīng)力為271MPa,位于第二、第五軸線處模塊車車架與懸掛連接處,小于材料的屈服極限,其他部位應(yīng)力大約為60MPa以下,因此滿足材料許用應(yīng)力。最大位移量為9mm,出現(xiàn)在車架端部,但變形量相對于整車長度來說比較低。可以看出,工況(b)加載條件下的模塊車車架除了幾個局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中外,整車其余部位的應(yīng)力水平并不高,其變形量相對也較低,因此材料并未得到充分利用。

由于在分析中沒有考慮焊縫對應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果的影響,而在實際中平滑弧形焊縫有利于減小應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此分析的應(yīng)力結(jié)果可能比實際有所提高。除以上應(yīng)力集中外,模塊車其余大部分部位的應(yīng)力水平較低,強度富余量比較大,材料并未得到充分利用。因此,在滿足車架強度的條件下,可以考慮對模塊車車架結(jié)構(gòu)進行減重改進,減輕模塊車整車的重量,從而提高模塊車材料質(zhì)量利用系數(shù)。

五、模塊式液壓運輸車車架機械結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

模態(tài)作為結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)特性的一種突出的表現(xiàn)形式,通過模態(tài)分析便可得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和主要振型,而固有頻率和振型是評價結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計性能的重要性能指標(biāo),能為振動系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計提供理論依據(jù)。模塊車車架為一彈性系統(tǒng),由于外界的激勵將使整車產(chǎn)生振動響應(yīng)。當(dāng)模塊車車架的固有頻率與外界激振頻率接近時,車架很可能會產(chǎn)生共振,共振則會導(dǎo)致車架上的某些部位產(chǎn)生數(shù)值很大的共振動載荷,致使車架各部件產(chǎn)生疲勞損壞,縮減車架及整車的使用壽命,威脅車輛的使用安全。因此,為保證車架具有良好的動態(tài)特性,要求車架的固有頻率和振型應(yīng)該避開常見的激振頻率,故在車架設(shè)計的階段,對車架進行模態(tài)分析是很有必要的。由振動理論可知,結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性主要由低階振型所決定,高階振型即使產(chǎn)生其能量相對來說也比較小,所以模態(tài)分析一般取5至10階精度就已滿足要求。本文重點分析模塊車的前六階振動特性。

模塊車車架模態(tài)分析與靜態(tài)分析相類似。其分析類型定義為Modal,材料為Q690D,網(wǎng)格劃分、約束與靜態(tài)分析相同。由于結(jié)構(gòu)的振動特性是由結(jié)構(gòu)本身特性所決定的,與所受載荷無關(guān),因此結(jié)構(gòu)模態(tài)分析不需要施加載荷。

通過ANSYS Workbench求解得到模塊車車架結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型。表3?6所示為模塊車車架結(jié)構(gòu)前六階振動頻率,圖3?18所示為相對應(yīng)的前六階振型,通過振型云圖可以非常直觀地識別車架在不同頻率時的振動趨勢。仿真結(jié)果用不同顏色直觀地標(biāo)識出模塊車車架各部分結(jié)構(gòu)振動的強弱分布以及抗振薄弱區(qū),為模塊車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了參照依據(jù)。

模塊車車架主要受到發(fā)動機和路面的雙重激勵作用。

① 發(fā)動機激勵頻率f₁:

f₁=(3?3)

式中　n——發(fā)動機轉(zhuǎn)速,r/min;

　　z——發(fā)動機氣缸數(shù);

　　τ——發(fā)動機沖程。

模塊車所用發(fā)動機為水平臥式6缸4沖程發(fā)動機。怠速時發(fā)動機轉(zhuǎn)速為(600±50)r/min,發(fā)動機的振動頻率為(30±2.5)Hz;常用轉(zhuǎn)速為1100~2000r/min,發(fā)動機振動頻率為55~100Hz。

② 路面激勵頻率:

f₂=(3?4)

式中　v——車輛行駛速度,km/h;

　　λ——路面不平度波長,m。

由于模塊車大多數(shù)工況下處于公路作業(yè)狀態(tài),路面不平度波長范圍為1~6.3m,因此由路面不平度所帶來的振動頻率范圍為1.6~10Hz。

由表3?6分析可知,車架的前6階模態(tài)中:①第1階和第2階振動頻率低于發(fā)動機怠速激勵頻率,且遠大于路面激勵頻率,此時車架不會與發(fā)動機、路面產(chǎn)生共振;②第3階至第6階固有頻率,大于發(fā)動機怠速激勵頻率,且低于發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速激勵頻率,此時車架仍不會與發(fā)動機產(chǎn)生共振。所以車架的設(shè)計完全符合振動特性要求。