第四節　掛車結構設計及強度和剛度分析

平板車的車身結構設計要相對簡單,這里對半掛車的車架結構和鵝頸結構的強度與剛度進行計算分析,以確定使用可靠。由于該車的車架和鵝頸結構比較復雜,傳統的數學計算方法難以得到精確的結果,因此將采用有限元方法來對車架和鵝頸結構進行分析。

新型超長自裝卸整體式運輸車主要由動力升降式鵝頸、液壓絞盤、中間連接平臺、三軸線單元車架及過渡爬梯等結構組成,其中動力升降式鵝頸、中間連接平臺、三軸線單元車架和過渡爬梯構成了該運輸車的車架部。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備都直接或間接地安裝在車架上,中間連接平臺作為車架的主體部分,且由于其超長的尺寸,其強度及剛度特性分析是其設計過程中的關鍵問題。

一、整體結構設計

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

該車特點如下:

① 車架采用可伸縮的結構。根據運輸貨物的長度調整車架的長度,擴大運輸貨物的范圍。最大伸出長度為6m,伸縮后用銷軸固定,該車配置了2種不同長度的管組,伸出后用長管組,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現。貨臺可由最低的地面高度升高300mm,在裝卸貨物時車架與地面接觸,同時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,整體可在運輸貨物前組裝,通用率高。

新型超長自裝卸整體式運輸車是專為城市低地板有軌電車等超長、超重貨物的運輸而設計制造的,圖3?20所示為該運輸車的整體結構,其主要由動力升降式鵝頸、液壓絞盤、中間連接平臺、三軸線單元車架及過渡爬梯等結構組成。該運輸車采用了液壓懸架與動力升降式鵝頸形成三點支撐,液壓全輪牽引轉向或液壓助力轉向,車架輕量化設計,具有承載能力強、載貨平臺高度可調、輪軸負荷均勻、裝卸貨物方便等優點。車輛承載平臺部分安裝有軌道,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;4—三軸線單元車架;5—過渡爬梯

1.動力升降式鵝頸

圖3?21所示為運輸車動力升降式鵝頸的結構,其由牽引銷、牽引轉盤、牽引轉向缸、加載缸、加載梁和連接端梁等組成。動力升降式鵝頸主體結構為“L”形,鉸接于連接端梁,進而可與后面的承載貨臺連接;牽引銷與牽引鞍座相連,使牽引車與半掛車連接,將牽引車的牽引力傳遞給半掛車;牽引轉盤通過帶動牽引轉向缸,把牽引車的轉向參數轉化成液壓信號,傳遞給后部的后端轉向缸,使后端轉向缸推動轉向臂帶動轉向拉桿動作,進而推動轉向輪組做出相應的轉向動作;加載缸可以將懸掛液壓缸的油壓加載到牽引車上,實現“第五輪載荷”;鵝頸還可實現升降功能,通過加載缸的伸縮升降貨臺的前部以保持貨臺水平。

1—牽引銷;2—牽引轉盤;3—牽引轉向缸;4,6—加載梁;5—加載缸;7—連接端梁

2.中間連接平臺

該運輸車的中間連接平臺為“井”字形框架結構,如圖3?22所示,由連接座總成、液壓支腿、內縱梁、邊縱梁、邊梁、貫穿梁、滑軌及加強板組成。內縱梁和邊縱梁作為連接平臺的主要承載結構

1—連接座總成;2—液壓支腿;3—內縱梁;4—邊縱梁;5—邊梁;6—貫穿梁;7—滑軌;8—加強板

,在運輸車承載行駛過程中受彎曲應力。為滿足其使用性能的要求,采用Q460高強度鋼制作,其中兩道邊縱梁采用具有很好抗彎性能的“箱型”結構,如圖3?23所示,內縱梁采用“工”字形結構;在此基礎上對三道縱梁采用預拱設計,使縱梁形狀向上凸起,具有一定預拱量,可以很大程度上增大縱梁承受彎曲應力的能力,且抵消了連接平臺因自重和載荷作用下的撓度,使得連接平臺承載后正好處于壓平狀態;邊縱梁的上翼面安裝滑軌,兩側邊梁為熱軋槽鋼,縱梁之間采用輕而密的貫穿梁連接,增加了整個連接平臺的扭轉剛度,同時還降低了與貫穿梁連接處的縱梁扭轉應力;連接平臺兩端通過連接座分別與動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,為保證該區域具有足夠的承載強度,在連接座附近增加了加強板,且在一些拐角處通過采用圓弧過渡來減小局部的應力集中。

3.過渡爬梯

運輸車后端的過渡爬梯用于進行貨物的裝卸,如圖3?24所示,過渡爬梯分成兩個模塊,前模塊和后模塊,每個模塊設有標準軌距的升降導輪和千斤頂。過渡爬梯只有在運輸車裝卸有軌電車時才安裝,當用千斤頂將輪子降下來時,導輪與軌道變成滑動摩擦,方便爬梯在軌道上滑動,與前端三軸線單元車架拼接;裝卸有軌電車時,用千斤頂將導輪升起,整個爬梯落到導軌上,使得過渡導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縱向車廂的折角不大于3°。

1—前模塊;2—升降導輪;3—千斤頂;4—后模塊;5—導軌

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、液壓懸掛和轉向機構組成的獨立單元模塊。車架由箱型結構的主梁以及若干橫梁和支撐梁焊接組成,為空間框架式結構,具有足夠的承載強度和剛度。車架前后為端橫梁,供與中間連接平臺連接或安裝操縱箱。車架橫梁端部有緊固貨物用的拉環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向桿系用,大梁兩側用于裝設液壓、制動管路。液壓懸掛如圖3?26所示,主要由旋轉立軸、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高度的作用。懸臂通過一組平面止推滾動軸承及兩只滑動球關節軸承與懸掛立軸相連,承受分配到懸掛上的載荷,并在轉向拉桿牽引下能使輪軸靈活地旋轉一定角度,當懸掛與轉向桿系脫開時,該輪軸隨同懸掛可作360°回轉,便于輪軸、輪胎的拆裝維修。轉向機構主要由轉向支架、轉向臂、轉向拉桿和轉向液壓缸組成,主要起到轉向時推動各轉向輪按要求進行轉向的作用。

1—三軸線單元模塊車車架;2—液壓懸掛;3—轉向機構

1—懸臂;2—懸掛柱塞缸;3—旋轉立軸;4—螺栓;5—平衡臂

三、連接平臺強度和剛度分析及預拱設計

目前,國內外常見的軸線單元模塊及其拼車連接結構都已經標準化,承載連接平臺的拼車連接結構也與之相適應。為了提高組合掛車的承載能力,在拼車結構不變的情況下,國內目前主要是采用高強度的材料和輕量化的方法。而在新型超長自裝卸整體式運輸車的結構設計過程中,在采用高強度材料及輕量化的基礎上,通過對連接平臺縱梁采用預拱設計,使連接平臺具有一定的預拱量來提高連接平臺的承載能力,以抵消連接平臺中心在自重及載荷作用下產生的撓度。增大運輸車運輸過程中的安全性和可靠性。

預拱量是為抵消梁、拱、桁架等結構在載荷作用下產生的撓度,而在制造時所預留的與位移方向相反的校正量。具有一定預拱量的結構密度小、跨度大,并且可以充分利用材料的強度,在全跨載荷作用下具有承載力強、變形小的優點。

新型超長自裝卸整體式運輸車的承載能力是由動力升降式鵝頸、三軸線單元車架、中間連接平臺及其與單元模塊車和動力升降式鵝頸的拼車連接結構的承載能力共同決定的。由于運輸車具有超長連接平臺及車體長度的特點,而連接平臺作為主要的承載平臺,其結構強度和剛度的大小直接決定了運輸車承載能力的大小。因此,下面通過對未采用預拱設計的連接平臺和采用預拱設計的連接平臺進行強度和剛度對比分析,就連接平臺縱梁采用預拱設計對提高運輸車在運輸貨物過程中的抗彎能力及承載能力進行說明。

1.有限元建模及網格劃分

通過三維繪圖軟件Pro/Engineer對未采用預拱設計的連接平臺進行三維實體建模,如圖3?27所示,并通過ANSYS Workbench與Pro/Engineer的數據交換接口將三維實體模型導入ANSYS Workbench中。在不影響連接平臺主要力學特性和分析精度的前提下,對連接平臺的三維實體模型進行了以下簡化:

① 省略非承載部件和一些對連接平臺剛度及強度影響不大的結構。如液壓支腳連接板和固定板,其不起支撐作用,且對連接平臺的強度大小并沒有影響。

② 簡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,對連接平臺的強度大小影響不大。

選擇連接平臺的材料為鋼結構材料,并對導入后的幾何模型進行檢查及幾何清理,消除不必要的細節特征,提高網格的劃分質量和速度,從而提高計算精度。有限元分析模型的準確程度以及模型規模是否合適,對連接平臺結構的分析至關重要。圖3?28所示為連接平臺的網格劃分圖,完成網格劃分后的連接平臺被劃分為193597個節點,92261個實體單元。

2.約束及載荷的確定

有軌電車的重量通過車輪與運輸車邊縱梁上的導軌接觸將載荷作用在平臺的導軌上,連接平臺通過兩端的連接座分別與動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,平臺所受載荷通過兩端的連接座傳遞給動力升降式鵝頸和三軸線單元模塊車。

運輸車的設計載荷為55t,實際裝載50t,但作用在連接平臺上的載荷為35t,其余15t載荷直接作用在三軸線單元模塊車上。由于只對連接平臺的強度和剛度進行分析,不考慮三軸線模塊單元,因此只對連接平臺施加35t的載荷。

進行有限元強度及剛度分析時,對連接平臺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方向的自由度,切向方向設置為自由狀態,模擬圓柱銷對連接平臺的約束作用。對連接平臺的導軌分別施加20t和15t的跨距載荷作用,模擬有軌電車車輪對導軌的載荷作用,同時添加連接平臺自身的重力作用。連接平臺的約束及載荷情況如圖3?29所示。

3.強度和剛度分析及預拱設計

由于約束部分與實際支撐存在一定差距,導致約束周邊的應力不真實,且這里的主要研究目的為縱梁及貫穿梁部分的強度及彎曲剛度,則在進行連接平臺形變位移和應力分布求解時,不考慮約束周邊的結構。

考慮一定的安全系數,則連接平臺的許用應力[σ]可按下述公式計算:

[σ]=(3?5)

式中　σ_s——連接平臺的屈服強度,MPa;

　　n——安全系數。

新型超長自裝卸整體式運輸車連接平臺的縱梁采用Q460高強度鋼制作,屈服強度σ_s=460MPa,邊梁和貫穿梁采用16Mn,屈服強度σ_s=350MPa,取安全系數n=1.4;將參數取值代入公式(3?5)計算可得連接平臺縱梁的許用應力[σ]=329MPa,邊梁和貫穿梁的許用應力[σ]=257MPa。

由于連接平臺超長的尺寸,還應考慮其撓度,連接平臺縱梁的彎曲變形,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——連接平臺的跨距,m。

連接平臺跨距為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,對未采用預拱設計的連接平臺的形變位移及應力分布進行求解,可得其位移圖解如圖3?30所示,應力圖解如圖3?31所示。

由以上求解結果可知,在載荷及自身重力的靜態作用下,未采用預拱設計的連接平臺的最大形變位移發生在中間位置,為102.43mm,遠遠超過其最大變形量的允許值;最大應力發生在靠近端部的加強板部位,如圖3?32所示,為238.35MPa,小于其許用應力值。連接平臺的強度滿足規定要求,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,針對如此情況,不改變縱梁的制作材料,對縱梁采用預拱設計,使縱梁具有一個向上的預拱量,以抵消其在承載時的撓度。

根據上述有限元求解結果,未采用預拱設計的連接平臺在載荷及自重作用下的形變位移為102.43mm,則對縱梁采用預拱設計,預拱量為110mm,在相同約束及載荷條件下,對具有110mm預拱量的連接平臺進行有限元分析求解,可得其位移圖解如圖3?33所示,應力圖解如圖3?34所示。

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

通過對比分析未采用預拱設計的連接平臺與具有110mm預拱量的連接平臺的位移圖解和應力圖解可知,采用高強度鋼材料的連接平臺滿足運輸車承載的強度要求,但是在不采用預拱設計的情況下,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,對縱梁采用了預拱設計。對縱梁采用110mm的預拱量設計后,在相同約束和承載條件下,相比未采用預拱設計的情況,連接平臺的最大形變位移明顯減小,且經預拱量抵消后依然具有少許上拱,使得連接平臺在自重及載荷作用下接近壓平狀態而不會下彎,最大應力值也有所減小,使得連接平臺的強度和剛度均明顯增大,從而滿足規定要求。由此可得,采用預拱設計可以提高連接平臺的彎曲剛度,減小其最大撓度,使得運輸車裝載后正好可將車架壓平而不下彎,同時還可以改善連接平臺的應力分布,增大了連接平臺的承載能力,從而使運輸車在運輸過程中具有更高的安全性和可靠性。

小結:本章對新型超長自裝卸整體式運輸車的整體結構設計進行了介紹,通過三維繪圖軟件Pro/Engineer建立了中間連接平臺的三維實體模型,并將其導入ANSYS Workbench中。根據運輸車實際運輸過程中的約束及載荷情況,建立了連接平臺的有限元模型,求解得到未采用預拱設計的連接平臺的形變位移及應力分布,根據求解結果對連接平臺采用了預拱設計;然后對比分析了兩種不同設計結構下的有限元求解結果,說明對連接平臺采用預拱設計可以增大其彎曲剛度和強度,提高整車的承載能力,進而保證了運輸車運輸過程中的安全性和可靠性。