裝載機副車架斷裂分析及改進

遲立新，田 野，王 孟，陳 振

裝載機副車架斷裂分析及改進

遲立新1，田 野2，王 孟2，陳 振2

(1.中交一航局第四工程有限公司，天津 300456;2.雷沃重工股份有限公司，山東濰坊 261200)

為了解決作業工況惡劣時鉸接式裝載機副車架結構容易出現焊縫開裂的問題，利用UG NX7．5和ANSYSWorkbench建立副車架的三維實體模型;選擇典型工況對該模型進行結構強度的應力分析，得出副車架的應力分布云圖。依據分析結果對副車架進行改進，并對改進后的結構進行分析，結果發現:改進后的結構受力情況明顯要好于原結構;增加副車架與后車架的間隙可改善副車架的受力。

副車架;斷裂分析;結構改進;間隙調整

0 引言

輪式裝載機是一種多用途、高效率的工程機械，使用時靈活方便，作業速度快，機動性強，工作效率高，被廣泛應用在建筑工地、水利設施、港口碼頭、鐵路道路建設、礦山開采、環境維護等作業環境。輪式裝載機由八大系統組成:動力系統、傳動系統、液壓系統、電子電控系統、制動系統、車身系統、車架系統、工作裝置系統。

輪式裝載機的作業工況十分復雜，在作業過程中承受各種力和力矩［1-8］，車架系統作為承受載荷扭矩的主要部件，由前車架、后車架、副車架、中間鉸接組成，承受整個機械的大部分重量，還要承受各總成傳遞來的力和扭矩以及動載荷作用，因此車架應具有足夠的強度及剛度。前車架與前驅動橋及工作裝置連接，后車架通過副車架與后驅動橋連接，通過鉸接銷軸使后驅動橋繞軸擺動，提高裝載機的通過性能，降低路面顛簸對車架的影響［9-12］。副車架作為連接后車架與后驅動橋的連接機構，是裝載機上重要的承力部件，承載著裝載機后部的全部載荷及整機作業過程中產生的沖擊，因此必須具有足夠的強度和剛度。

本文基于某6 t裝載機副車架斷裂的實例，應用有限元分析等方法對其強度和剛度進行計算，發現致使副車架發生斷裂的主要原因，從而解決副車架斷裂問題，并為其改進升級提供理論依據。

1 副車架斷裂實例

目前很多裝載機副車架采用焊接結構，焊接節點多，焊縫密集，而副車架工作時要承受復雜的外部沖擊力，工況較為惡劣，易產生焊縫開裂甚至斷裂失效等問題。某6 t裝載機副車架原結構如圖1(a)所示，主要由驅動橋連接板、副車架支撐板、加強板及貼板組成。各板件焊接在一起，副車架驅動橋連接板采用螺栓與驅動橋進行固定，支撐板用鉸接銷軸與后車架鉸接在一起。該裝載機在整機工作1 440 h時副車架斷裂，斷裂部位發生在副車架支撐板安裝孔處，整個支撐板全部斷裂，如圖1(b)所示。初步判斷原因是副車架強度不足。

圖1 副車架結構與斷裂位置

2 副車架有限元分析

2．1 模型建立

利用UG NX 7.5軟件建立副車架的三維實體模型，并對實體模型中對模型結構影響不大的特征進行簡化處理，然后將實體模型導入到 ANSYS Workbench。板件與板件生成一個Part，不再對焊縫進行單獨的建模，公共面用于模擬焊接(網格共節點)，板與板之間無滲透、間隙。對板與板之間因相互交接形成的微小面或邊可進行適當的調整，用以保證后續網格質量。副車架模型如圖2所示。

圖2 副車架模型

2．2 材料屬性

副車架主要是由中厚板焊接而成，其材料為低合金高強度結構鋼Q345A，材料屬性如表1所示。

2．3 網格劃分

副車架焊接件為厚板件，根據有限元網格劃分相關理論，采用實體單元進行模擬。網格劃分選擇六面體占優(Hex Dominant)方法，網格類型以六面體為主，附帶有少量的金字塔單元、四面體單元。網格基本尺寸為10 mm，數量為47 023，如圖3所示。

2．4 作業工況

裝載機是以土石方為工作介質的周期性作業機械，作業工況眾多。目前裝載機作業工況計算包含以下7種:正載最大插入力工況、正載最大鏟掘工況、正載最大插入力和鏟掘聯合作業工況、偏載最大插入力工況、偏載最大鏟掘工況、偏載最大插入和鏟掘聯合作業工況以及行駛顛簸工況。從理論分析可知，副車架受載荷最大的典型工況發生在正載最大插入力工況，因此選擇該工況為典型工況進行計算分析。

表1 材料特性參數

2．5 載荷與邊界條件

2．5．1 載荷計算

圖3 副車架網格

正載最大插入力工況為:副車架既受到垂直的自身重力，又受后驅動橋產生的水平方向的插入力。后驅動橋產生的插入力的大小以后驅動橋處整機重力產生的摩擦力代替。對于鉸接式裝載機來說，空載時副車架承受的載荷約占整機重力的50%～55%，滿載時約占整機重力的25% ～35%［13］。在正載插入工況，一般按空載計算副車架所受重力和插入力。

已知此6 t機型整機質量為20 000 kg，按空載時副車架承受的整機重力的55%計算，副車架處承受的自身重力為107.8 kN。

后驅動橋產生的牽引力

式中:G為副車架處所受重力;μ為地面附著系數，取0.7。

2．5．2 有限元實現

(1)副車架橋連接面處施加固定約束，限制其前后、上下等方向的自由度。

(2)在副車架與鉸接銷接觸面處施加機重載荷，載荷類型為軸承力。

(3)副車架安裝鉸接銷端面處施加插入力，作用面為后車架銷盤投影面積，如圖4所示。

圖4 約束及載荷

2．6 計算結果

副車架應力云圖如圖5所示，最大Von Mises應力發生在副車架支撐板圓孔周圍，數值為225．47 MPa，低于許用應力230 MPa，該計算結果滿足設計強度要求。為確定邊界條件及載荷施加是否與現場使用情況吻合，需對故障進行重新確認。

圖5 分析計算結果

2．7 模型修正

再次對故障裝載機進行現場確認，發現副車架與后車架間部分調整墊已磨損脫落，副車架與后車處間隙增大，在作業過程中后橋插入力只作用于副車架一個支撐板上，造成此支撐板受較大作用力。

根據實際情況對有限元模型進行調整，即將后橋插入力全部施加在一個支撐板側面上。重新分析計算，副車架所受應力如圖6(a)所示。此種狀態下，副車架支撐架圓孔周圍最大Von Mises應力達到420.1 MPa，已遠超出材料的屈服極限，與斷裂部位一致。在插入力方向上，支撐板的最大位移量為1.854 7 mm，如圖6(b)所示，變形量小于調整墊片的尺寸。因此，調整墊脫落后，插入力會長期作用于單個支撐板上，從而造成副車架的斷裂失效。

圖6 應力與位移計算結果

3 解決措施

造成副車架斷裂的主要原因是副車架與后車架間調整墊磨損脫落后導致間隙變大，副車架一個支撐板受插入力，在此過程中，副車架所受應力增大，超出材料的屈服極限，造成副車架支撐板斷裂。結合實際情況制定如下解決措施。

(1)改進副車架結構，加強副車架支撐板，將支撐板鉸接孔處上、下面加高10 mm。調整后副車架總體強度和剛度提高，其應力分析結果如圖7(a)所示。單支撐板工況下圓孔周圍最大Von Mises應力值由420 MPa降為271 MPa，降幅達35%;兩支撐板受力工況下其圓孔周圍最大Von Mises應力值為由225 MPa降為163 MPa，降幅達27%，如圖7(b)所示。改進后副車架自身的安全系數得到提高。

圖7 應力計算結果

(2)制作一組耐磨調整墊，選擇不同厚度調整墊使副車架與后車架間的裝配間隙不大于0.5 mm，副車架前后支撐板同時受力。

通過以上改進，此6 t裝載機工作近6 000 h，再未發生此類斷裂問題。

4 結語

針對某6 t裝載機副車架斷裂問題，利用有限元分析工具，得出副車架斷裂失效的主要原因是:后車架與副車架間調整墊早期磨損，致使副車架支撐板單邊受力，最終導致副車架斷裂。通過對副車架結構的改進，以及控制后車架與副車架的間隙，避免了副車架斷裂，提高了其使用壽命。

本文通過仿真與實際相結合，解決了裝載機副車架斷裂問題，并對副車架的工況進行了應力分析，為裝載機副車架的設計、改進提供依據。

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Fracture Analysis and Improvement of Loader Subframe

CHI Li-xin1，TIAN Ye2，WANG Meng2，CHEN Zhen2
(1．No．4 Engineering Co．，Ltd．of CCCC First Harbor Engineering Co．，Ltd．，Tianjin 300456，China;2．Lovol Heavy Industry Co．，Ltd．，Weifang 261200，Shandong，China)

In order to solve the problem that the subframe structure of the articulated loader is prone to weld cracking when working in bad conditions，the UG NX7．5 and ANSYS Workbench were used to build the 3D entity model of the subframe．Typical working conditions were chosen to carry out the stress analysis of the model，and the stress nephogram of the subframe was obtained．Improvement of the subframe was made based on the analysis，and the results show that the modified structure is in better stress condition，which can be improved by increasing the clearance between the subframe and the rear frame．

subframe;fracture analysis;structural improvement;clearance adjustment

U415．51

B

1000-033X(2017)10-0102-04

2017-03-24

遲立新(1975-)，男，河北滄州人，高級工程師，工程碩士(在讀)，研究方向為工程機械。

［責任編輯:高 甜］