低平板组合挂车分载系统设计

2013-12-10陈东发马力谢婷婷

专用汽车 2013年11期

陈东发马力谢婷婷

CHEN Dong-fa et al

武汉理工大学汽车工程学院湖北武汉 430070

1 前言

在运输过程中，低平板组合挂车的承载能力是由低货台及其与车辆模块的拼车连接结构的承载能力共同决定的。国内外常见的车辆模块及其拼车连接结构已经标准化，低货台的拼车连接结构也与之相适应，目前国内常用的拼车连接结构的最大承载能力为230 t，使得低平板组合挂车的承载能力也不能超过230 t。然而随着社会经济的发展，需要低平板组合挂车承担更大吨位的运输任务越来越多，因此，在拼车连接结构不变的情况下提高低平板组合挂车的承载能力已越来越重要。目前，国内主要通过使用高强度材料和采用轻量化的方法来直接或间接地提高低平板组合挂车的承载能力[1-3]。本文研究了低平板组合挂车的分载问题，设计出了一种分载系统，它可使部分货物的质量直接分载到前后车辆模块上，使拼车连接结构的载荷不超过标准要求，以此利用车辆模块轴线数可增加的特性来整体提高低平板组合挂车的承载能力。文中给出了分载系统的分载原理，进行了分载系统的结构设计，针对典型车辆建立了有限元模型并进行了有限元分析。计算结果表明所设计的分载系统是可行且有效的。

2 分载原理和方案

低平板组合挂车由车辆模块和低货台通过拼车连接结构拼接而成，其结构简图如图1所示。理论上低平板组合挂车可以通过增加车辆模块的轴线数增加整车的承载能力，然而由于拼车连接结构的承载能力有限，导致整车的承载能力受到限制。因此，设计了一种分载系统，将部分载质量直接分载到车辆模块上，使拼车连接结构受到的力在其可承受的范围之内，避免车辆模块及其连接结构的重新设计导致车辆模块丧失拼车标准性和通用性，已经显得越来越重要。

本文设计的分载系统采用拱桥的原理实现分载，其装车结构如图2所示。分载系统主要由拱形分载桥、支座和液压油缸组成。拱形分载桥通过销轴铰接在支座上，支座通过螺栓固定在车辆模块上，液压油缸的上下端分别与拱形分载桥和低货台连接，共设计了8个液压油缸。拱形分载桥的主要作用是承接和传递分载力；支座的作用是固支以及将拱形分载桥传来的力传到车辆模块上；液压油缸起着吊索的作用，同时通过改变油压可以调节和控制分载力。在运输货物时，分载力通过液压油缸传递到拱形分载桥上，再通过拱形分载桥传递到支座上，最后通过支座传递到车辆模块上，从而起到分载的目的。对于不同吨位的货物运输，可根据需要，通过调节液压油缸的油压来改变分载力的大小，以确保拼车连接结构承受的载荷始终在标准范围之内。

3 结构受力分析

低平板组合挂车的拼车连接结构是用于连接低货台和车辆模块的结构，其基本结构如图3所示，主要由接触端面、连接孔和拼接耳板组成。低货台与车辆模块下部由拼接耳板通过连接销铰接在一起，由销轴传递连接力，上部主要通过连接端面连接。

为了确保分载系统的有效性，有必要对分载前后的车辆模块及其拼车连接结构进行受力分析。由于图2所示的低平板组合挂车是前后对称结构，因此只需取前车辆模块及其拼车连接结构进行分析。图4为加装分载系统后前车辆模块及其拼车连接结构的受力简图，其中，低货台与车辆模块刚性连接。分载系统及低货台的质量相对于载质量而言较小，因此忽略分载系统及低货台的重力因素。图4中，A为拼车连接结构的接触端面，B为拼接耳板，C点为各车轮支撑反力的合力位置，一般位于车辆模块的中心。设F1为各车轮支撑反力的合力，作用点在C处；若不计接触端面A的摩擦力，则A处只受到来自低货台的水平接触力，设该水平力为F2； F3、F4分别为连接销对B的水平力和垂直力；F5、F6分别为支座受到的垂直力和水平力。用L1表示C和B之间的水平距离，L2表示A与B之间的垂直距离，L3表示支座的高度，L4表示支座中心至A的水平距离。

图4中总共有6个力，设货物质量为W，分载系统液压油缸的油压为P，油缸的活塞面积为S。按8个油缸计算，则可推导出其中两个力F1和F5：

剩余4个未知力F2、F3、F4和F6，不能用三个平衡方程求出。由于F6的大小与拱形分载桥和支座的设计有关，可将F2、F3和F4用F1、F5和F6表示。根据力矩平衡和力平衡方程可得：

当车辆制动或加速时，F5和F6会发生变化，变化情况取决于分载系统结构的刚度贡献，由于低平板组合挂车的运输速度较低，F5和F6的变化情况可通过有限元计算得到。加装分载系统后，拼车连接结构受力的公式即为式(1)，此时，若令F5=0，F6=0，则可得到未加装分载系统的拼车连接结构的接触端面及拼接耳板的受力公式：

由于F5、F6、L2、L3和L4皆为正值，因此可得出式(1)中的F2、F3和F4比式(2)中的F′2、F′3和F′4小，即加装分载系统后，拼车连接结构接触端面所受力和拼接耳板所受垂直力以及水平力都减小了，减小的程度与F5和F6的大小有关，其中F5的大小可通过改变液压油缸的油压来调节，F6则与拱形分载桥及支座的设计有关。因此，通过调节油压以及合理的分载系统结构设计可以保证拼车连接结构受到的力始终在标准范围之内。

4 分载系统的设计

根据分载原理和结构的受力分析，以某企业生产的典型车辆为例进行分载系统的设计。设计要求原本最大承载量为230 t的低平板组合挂车在加装分载系统后，至少可以承载300 t的货物。取载荷系数为1.2，则要求分载系统至少分载130 t的质量。

4.1 拱形分载桥的设计

拱形分载桥为分载系统中的传力机构，是将载荷成功分载到前后车辆模块的关键。根据低货台相关参数及货物尺寸，取拱形分载桥轴线拱高h=2200 mm，跨距lk=22000 mm，其轴线函数为：

式中，h为拱形桥拱高，l为拱形桥跨距。

为了减轻自重，拱形梁采用矩形截面的空心梁，材料为钢板，截面尺寸（宽×高）为300 mm×500 mm，上下面板厚取12 mm，左右腹板厚为8 mm。为了增加拱形分载桥的稳定性，在两个分载梁中间焊接9根稳定横梁，其焊接位置如图5所示。稳定横梁取截面为圆形的空心梁，经过计算，取其外径为140 mm，壁厚为8 mm 。

4.2 液压油缸和支座的设计

液压缸按其结构特点的不同可分为多种，选择双作用单活塞杆液压缸作为分载系统的液压油缸。分载系统的分载量为130 t，一共有8个油缸，所以，每个油缸要求的负载为16.25 t。若油缸的工作压力取10 MPa，根据计算可得出液压油缸的各个参数：缸体外径D1=184 mm，缸体厚度δ=16 mm，液压缸内径D=160 mm，活塞杆外径d=70 mm。

支座为盒型结构，内部焊接有若干个加强板，左右两边各设一组连接耳与拱形分载桥铰接，底部则通过6个螺栓固定在车辆模块的车架上。支座所用的板件皆为厚度为30 mm的钢板，其结构如图6所示。

5 结构有限元分析和支座拓扑优化设计

对低货台及分载系统进行有限元分析，可以检验分载系统的分载效果及设计的合理性。分析时，设货物的质量为300 t，取安全装载系数为1.2，则整车承担的载荷为360 t，每个油缸的负载为16.25 t。低货台和分载系统使用的材料均为屈服极限为800 MPa的高强度钢。

5.1 低货台的有限元分析

低平板组合挂车主要用于特种重型装备的场地运输或规划运输，且液压模块车辆的车轮具有调平作用，因此只需考虑正常行驶的工况即可。由于低货台为中心对称结构，因此只需取其1/4结构进行分析。图7为加装分载系统后低货台的应力分布云图，图中区域1为拼车连接结构的接触端面，区域2和区域3为拼接耳板根部的上缘和下缘，3个区域为极易产生应力集中的区域。计算结果表明，加装分载系统后的低货台整体应力水平较低，基本在200 MPa以下，仅区域3的局部地区应力在400 MPa左右，最大应力仅为572 MPa，满足结构的强度要求。

在同等的载重条件下，对未加装分载系统的低货台进行有限元分析，其应力分布云图如图8所示。计算结果表明，货台部分应力基本在400 MPa以下，满足强度要求，然而图7所圈出的3个区域应力集中非常严重。区域1中有相当一部分区域的应力超过了600 MPa，区域2和区域3中应力水平在600 MPa以上的区域已经成片，最大应力达到1140 MPa。因此，若用未加分载系统的低平板组合挂车运输300 t货物，其拼车连接结构将遭到破坏。

5.2 分载系统的有限元分析

分载系统为中心对称结构，因此只需取其1/4结构进行分析。为了简化计算，分析时去掉了液压油缸部分，将油缸传递的分载力直接作为外载施加到拱形分载梁上。图9为分载系统的应力云图。计算表明，分载系统的整体应力不高，基本都在300 MPa以下，最大应力为384 MPa。支座除少数区域外大部分区域应力水平也都在300 MPa以下，最大应力为364 MPa。

5.3 支座的拓扑优化设计

由分载系统的有限元分析可知，支座的整体应力水平不高，且初步设计的支座质量偏大，因此有必要对支座进行拓扑优化设计。将支座的底板和连接耳板设置为非设计区域，其余的为设计区域。以结构最大应力小于600 MPa为约束条件，结构体积最小为优化目标，设计区域单元密度为设计变量对支座进行拓扑优化设计。经过迭代计算，找到支座的最佳载荷传递路径，对得到的拓扑结构进行合理的可制造处理，得到支座的拓扑优化结构图，如图10所示。

对支座拓扑优化后的结构进行有限元分析，优化后结构的应力云图如图11所示。计算结果表明，拓扑优化设计后，支座整体结构的最大应力为304 MPa，位于耳板下斜叉与底板的焊接处，与结构的转过渡有关。将拓扑优化设计前后的支座进行对比可得，拓扑优化设计之后，支座的最大应力下降了16%，质量减轻了15%，可见对支座的拓扑优化设计的效果良好。