轮履复合式救援工程机械底盘车桥设计与有限元分析*

□ 宋可清 □ 冯华山 □ 赵文涛 □ 张 娜

西北工业大学 机电学院 西安 710072

目前救援工程机械的底盘多采用单一的轮胎式或履带式设计，在灾难发生时，轮胎式的救援工程机械可以迅速地抵达灾难现场，但是在救援现场恶劣的地面状况下，轮胎式的救援工程机械的救灾作业极为不便；而履带式救援工程机械对于救援现场恶劣的地面状况适应性很强，但是在灾难发生时不能很快地赶赴救援现场，长距离运行时需借助其它运输车辆，给抢险救援带来诸多不便。针对轮胎和履带式行走装置的利弊，设计的一种轮履复合式救援工程机械底盘，可根据实际情况切换不同的行驶方式，更加快捷、方便地展开救援工作。

该机械底盘在轮胎行驶的情况下采用液压马达四轮驱动，由于包括履带行驶机构的整车质量都由前后桥来承担，尤其在恶劣的行驶环境下，对车桥的强度和抗共振的性能提出了更高的要求。为此，在设计过程中，有必要对轮履复合式抢险救援工程机械所处的工况进行探讨和研究，利用有限元法对车桥在典型工况下的强度进行校核和优化，并通过模态分析考察车桥抗共振的性能，从而为抢险救援工程机械的研制提供理论依据。

1 车桥结构

为了适应液压马达四轮驱动的动力方式，设计车桥的基本结构如图1所示，前后桥结构相同，分别由主梁、转向架、转向主销、液压马达和轮胎组成。主梁采用“剪叉式”结构，通过转向主销与两侧的转向架连接；轮胎（包括轮辋）采取双胎布置，通过液压马达安装在转向架上；前桥通过铰接架与车身连接；横梁和转向架为焊接件。根据轻量化的设计原则，选用的材料为Q550D高强钢，材料的机械性能见表1。

▲图1 车桥结构

表1 车桥材料性能参数

2 工况分析

对于轮履复合式救援工程机械，车桥是在轮胎行驶情况下最主要的承力件，受道路状况、气候条件以及车辆的运行状态影响，车桥的受力情况千变万化。在实际计算过程中，要对车桥在下述3种典型行驶工况下的受力情况进行分析：①动载工况：车轮受最大铅垂力，即行驶于不平路面上时所受冲击载荷；②侧滑工况：车轮承受最大侧向力，即车辆侧滑；③紧急制动工况：车轮承受最大切向力，即轮胎行驶情况下紧急刹车。轮履复合式救援工程机械的整机参数见表2。

表2 整机参数

由于整车向前偏心，前桥的受力情况更恶劣，因此只讨论前桥的受力。如图2所示，前桥左右两轮受到的地面反力分别为垂直向上支撑力Z1L和Z1R、侧向力Y1L和Y1R，车身方向切向力为X1L、X1R；3种工况下地面的反力情况见表3（在实际计算过程中，动载工况下取动载系数为2.5，附着系数取为0.8）。

▲图2 车桥受力简图

表3 车桥各工况受力大小/kN

3 有限元模型建立

3.1 有限元模型建立

桥体主梁和转向架等采用板材件焊接而成，采用Shell63单元进行模拟，对于整个桥体在有限元建模和添加约束的过程中，进行如下简化处理。

（1）轮胎轮辋及液压马达部分不用进行相关结构校核计算，因此在轮胎与地面接触点与液压马达和转向架连接的部分建立刚性区域，形成机构传力路径。

（2）转向架与主梁之间、上桥架与下桥架之间的销轴连接采用刚性区域的处理办法。

（3）将下桥架与车桥进行耦合处理，以模拟两者之间的高强螺栓连接。

（4）不计非受力元件，忽略焊接工艺边及较小的圆角［2］。

这样建立的有限元模型及其约束的添加情况如图3所示，节点总数为12 341，单元数为12 079。

3.2 计算结果分析及优化

分别在轮胎与地面的接触区域的中点加载力，得到3种工况下的等效应力云图，如图4、5、6所示。可以看出，侧滑和制动工况下桥体的整体结构应力都不大（不超过330 MPa），满足强度要求（材料Q550D，屈服极限550 MPa，安全系数取1.34，许用应力为 410 MPa［3］）。 在动载工况下，桥体的受力情况最恶劣，最大应力为469.3MP，出现在主梁与桥架的连接处，超出了材料的许用应力。由原模型的有限元分析结果可以看出，最大应力出现在主梁上与桥架连接的螺栓连接座上部，由于该部分截面突变，引起了应力集中现象，因此在原结构的基础上进行改进，在螺栓连接座的外侧增焊过渡板（如图7所示）。

改进后车桥的有限元模型如图8所示，节点总数为12 501，单元总数为12 319，约束与原结构相同，考虑到3种工况中动载工况应力最大，为了节省运算时间，仅就动载工况进行有限元计算。有限元分析结果如图9所示，整体的结构应力及分布与原结构接近，最大应力仍出现在主梁与桥架连接的螺栓连接座上部，应力值降为379.9MPa。改进后的结构应力小于材料的许用应力，满足设计的强度要求。

4 模态分析

▲图3 车桥有限元模型

▲图4 动载工况受力云图

▲图5 侧滑工况受力云图

▲图6 制动工况受力云图

▲图7 改进前后主梁螺栓连接座处结构

▲图8 改进后结构有限元模型

▲图9 改进后结构动载工况受力云图

在ANSYS中，结构的固有振动特性分析又称为模态分析，这种分析用于确定结构的固有频率和振型，其结果可以作为瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析等其它动力分析的基础。

轮履复合式救援工程机械在轮胎行驶下，在保证车桥有足够强度的同时，还需考虑其振动情况。在正常行驶情况下，为避免产生共振，桥体固有频率必须大于其工作频率。采用Block Lanczos法对改进后的桥体进行模态分析，得到如表4的一～五阶固有振动频率。

表4 车桥一～五阶固有振动频率/Hz

轮履复合救援工程机械在赶赴救援现场的过程中，在行驶中来自路面的激励不仅与路面的质量有关，更主要是车速的变化影响，相同路况下车速越高，激励频率也就越大。

式中：V为最大车速，取30 km/h；λ为地面的不平度波长，一般的平坦公路取值为1～6.3 m，差等道路如碎石路面最小取 0.32m［4、5］，考虑到抢险救援环境恶劣，取λ为0.32m。

这样得到在轮履复合救援工程机械正常行驶的情况下的激振频率在26 Hz以下，远远低于桥体的固有频率，因此改进后的车桥结构在车辆正常行驶情况下不会发生过度振动和噪声。

5 结束语

本文阐述了轮履复合式救援工程机械底盘车桥的结构组成和使用工况，并对其结构进行了有限元分析。从结果来看，原始设计的局部结构应力较大，不甚合理，改进后的结构最大应力减小，且小于材料的许用应力。在此基础上对改进的结构进行模态分析，结果显示该结构的固有频率避开了外部的激振频率。综上本文对轮履复合式救援工程机械底盘中桥的设计提供了相关理论依据，具有一定的工程实用价值。

［1］ 刘惟信.汽车车桥设计［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［2］ 高一平，王欣，高顺德，等.200t履带起重机履带架结构设计与有限元分析［J］.机械设计与制造，2004（1）：71-72.

［3］ 起重机设计规范（GBT3811-2008）［S］.国家标准局，2008.

［4］ 李以农，米林，杨城.踏板式摩托车振动实验分析［J］.重庆大学学报，2003，26(2)：90～93.

［5］ 吴迪清，卢炎麟.基于有限元的叉车车架模态分析及优化［J］.轻工机械，2004，28(4)：53-57.