采用有限元分析的方法對(duì)sx 360 型自卸車(chē)疲勞裂紋的成因進(jìn)行了分析, 建立了以板單元為基本單元的車(chē)架有限元模型, 在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了有限元靜態(tài)、模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)分析, 根據(jù)有限元的計(jì)算結(jié)果找出了車(chē)架過(guò)早出現(xiàn)疲勞裂紋的原因, 并針對(duì)已發(fā)生疲勞裂紋和尚未產(chǎn)生裂紋的自卸車(chē)提出了改進(jìn)方案和思路。
關(guān)鍵詞: 自卸車(chē); 車(chē)架; 裂紋; 壽命
sx 360 型自卸車(chē)主要用于卸載貨物。其駕駛室有兩排座, 可承載4 名工作人員; 貨箱為全鋼結(jié)構(gòu); 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng), 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在車(chē)架的前部, 即駕駛室下面; 液壓舉升機(jī)構(gòu)安裝在車(chē)架的中后部, 最大可舉升20 t 的貨物; 共有10 個(gè)輪胎, 前胎2 個(gè), 后胎8 個(gè), 每個(gè)輪胎所能承受的最大載荷為2920 kg。該車(chē)具有牽引力大、載重量大、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn), 適用于礦山、港口、鐵路或野外作業(yè)等場(chǎng)所的運(yùn)輸。從結(jié)構(gòu)組成來(lái)看, sx 360 型自卸車(chē)主要部件有車(chē)架、駕駛室、貨箱、液壓舉升機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)等, 各個(gè)部件對(duì)于汽車(chē)的品質(zhì)、質(zhì)量、壽命都有重要的影響。但就目前的情況來(lái)看, 影響該車(chē)使用壽命的主要因素是車(chē)架。該車(chē)在正常行駛3～5 個(gè)月時(shí), 車(chē)架縱梁上三橫梁與縱梁交接處便出現(xiàn)了裂紋, 在路面較堅(jiān)硬, 路況較差的寧夏、青海等地, 該處出現(xiàn)裂紋的情況就更加嚴(yán)重, 有時(shí)甚至發(fā)生斷裂。鑒于以上情況需對(duì)sx 360 自卸車(chē)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析, 以得到較好的解決方法。
1 裂紋產(chǎn)生的原因
應(yīng)用有關(guān)軟件對(duì)sx 360 自卸車(chē)進(jìn)行靜應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn): 在靜工況下車(chē)架上各測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力值為148.2 mpa, 小于車(chē)架材料的許用應(yīng)力211 ～238
mpa, 故可以排除車(chē)架在行駛過(guò)程中突然斷裂的可能。該車(chē)車(chē)架上的裂紋是在汽車(chē)正常行駛3～5 個(gè)月后產(chǎn)生的, 并且同批出廠的汽車(chē)在此期間絕大多數(shù)都在相同的部位不同程度的產(chǎn)生了裂紋, 因而可以確定裂紋的產(chǎn)生屬于疲勞破壞。
車(chē)架在彎扭聯(lián)合工況下, 三橫梁與縱梁接頭處的應(yīng)力集中現(xiàn)象最為顯著;發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速激勵(lì)頻率與車(chē)架的第二階固有頻率發(fā)生藕合產(chǎn)生共振, 而且車(chē)架的第二階固有振型為豎直面內(nèi)一階扭轉(zhuǎn), 其振型特點(diǎn)與靜應(yīng)力分析中的彎扭聯(lián)合工況極為相似, 故該振型會(huì)在三橫梁與縱梁接頭處產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在路面的激勵(lì)下三橫梁與縱梁接頭處的應(yīng)力均方值是附近其他處應(yīng)力均方值的6倍左右, 也就是講, 在汽車(chē)正常行駛過(guò)程中, 該處應(yīng)力峰值始終處于較高的狀態(tài)。因此, 三橫梁與縱梁接頭處的應(yīng)力集中是造成該處疲勞破壞的主要原因。車(chē)架裂紋的產(chǎn)生是在汽車(chē)行駛較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的, 而發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速狀態(tài)在汽車(chē)正常工作時(shí)發(fā)生的概率不是很高, 因此, 單純因?yàn)榈∷俨豢赡茉诙虝r(shí)間內(nèi)就產(chǎn)生車(chē)架的疲勞裂紋, 而汽車(chē)在行駛時(shí)隨時(shí)都要受到路面的激勵(lì)作用, 并且此時(shí)車(chē)架上裂紋產(chǎn)生處的應(yīng)力集中十分嚴(yán)重, 故路面的激勵(lì)是影響車(chē)架正常使用壽命的主要因素, 但由發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速激勵(lì)頻率所引起的車(chē)架的共振也是不容忽視的重要因素。
2 車(chē)架的修改原則及具體修改方案
通過(guò)以上的分析可以清楚地看到, 三橫梁與縱梁接頭處較高的扭轉(zhuǎn)剛度與車(chē)架的變寬結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致三橫梁與縱梁接頭處應(yīng)力集中的主要原因, 因此, 車(chē)架結(jié)構(gòu)的修改原則應(yīng)是:
1) 減小由于車(chē)架的振動(dòng)(主要是路面激勵(lì)下的位移響應(yīng)) 而引起的車(chē)架變寬處的附加扭矩;
2) 降低三橫梁與縱梁的接頭對(duì)扭轉(zhuǎn)變形的阻礙作用。
車(chē)架是汽車(chē)的主要承載部件, 汽車(chē)的許多部件( 如發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、貨箱等) 都安裝在車(chē)架上, 如果車(chē)架的結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化, 勢(shì)必會(huì)影響到其上安裝件的結(jié)構(gòu)與安裝。因此我們提出了兩種修改方案, 一種是在盡量不影響車(chē)架上各安裝件的結(jié)構(gòu)和裝配的前提下, 對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行較小的修改, 使車(chē)架的使用壽命較之以前大為提高, 這主要是針對(duì)于那些在使用過(guò)程中已有裂紋發(fā)生的或尚未產(chǎn)生裂紋的車(chē);另一種是對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)做較大的修改, 從源頭徹底消除過(guò)早產(chǎn)生裂紋的各種隱患。本文將把重點(diǎn)放在第一種方案上, 對(duì)第二種方案只作思路上的介紹。
由于車(chē)架裂紋產(chǎn)生的主要原因之一是三橫梁與縱梁采用了扭轉(zhuǎn)剛度較大的翼板連接方式, 致使車(chē)架上該段的扭轉(zhuǎn)剛度過(guò)大, 阻礙了車(chē)架扭轉(zhuǎn)變形沿縱梁的傳遞, 從而在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此就以改變?nèi)龣M梁與縱梁的連接方式作為解決問(wèn)題的突破口。首先, 將三橫梁與縱梁的連接方式由翼板連接變?yōu)楦拱暹B接, 而該橫梁的基本形狀保持不變。這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)是它的扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)于翼板連接來(lái)講大為降低, 因此會(huì)降低車(chē)架該段的整體扭轉(zhuǎn)剛度。其次, 是在縱梁上由二橫梁到車(chē)架末端焊“l(fā)” 板, 它的作用是增加車(chē)架的抗彎剛度, 減小車(chē)架在路面激勵(lì)下的位移響應(yīng), 從而減小在車(chē)架變寬處產(chǎn)生的附加扭矩的值。
為了便于與原車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較, 將修改后結(jié)構(gòu)的各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值與原結(jié)構(gòu)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值繪制成表( 見(jiàn)表1) 。從表1 可以看出, 結(jié)構(gòu)修改后車(chē)架縱梁上各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力值均有明顯的下降。在純彎曲工況下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值變化不是非常的顯著, 而在彎扭聯(lián)合工況下這種下降卻極為明顯, 尤以測(cè)點(diǎn)5 處最為顯著, 而且修改后車(chē)架結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)之間的應(yīng)力值變化比較平緩, 沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域, 從而證明了應(yīng)力集中的確是由于三橫梁處的扭轉(zhuǎn)剛度過(guò)大所致。但值得注意的是雖然在縱梁上該處的應(yīng)力集中區(qū)域消失了, 但在三橫梁上與縱梁腹板連接的接頭處卻出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)域, 其應(yīng)力值在130 mpa 左右, 比原車(chē)架縱梁上應(yīng)力集中時(shí)的應(yīng)力值160 mpa 是小了許多, 但由于修改后的三橫梁與縱梁的連接剛度降低了, 因此, 三橫梁上的應(yīng)力集中也是不容掉以輕心的?？梢酝ㄟ^(guò)改變?nèi)龣M梁與縱梁腹板連接的接頭形狀、增加三橫梁的鋼板厚度以及在滿(mǎn)足車(chē)架性能的前提條件下修改三橫梁的幾何形狀, 用降低其自身扭轉(zhuǎn)剛度等方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
3 結(jié)論與展望
sx 360 型自卸車(chē)車(chē)架尺寸較大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 在實(shí)際使用中受力復(fù)雜多變, 因此增加了研究的難度。對(duì)sx 360 型自卸車(chē)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析, 指出影響該車(chē)使用壽命的主要因素是車(chē)架, 提出了車(chē)架的修改原則及具體方案, 以期使該車(chē)能夠安全行駛30 萬(wàn)km 以上。
