装载机中梁架新结构研究及应用

区思榜，黎华敏，张斐朗

（广西柳工机械股份有限公司，广西柳州545007）

0 引言

轮式装载机是一种被人们广泛应用于公路、铁路、港口、煤炭、矿山、水利、国防等工程和城市建设的机器，在国民经济发展建设中发挥重要作用。装载机中梁架是装载机的主要承重部件，被作为核心部件传递车轮与车身之间的力和力矩，其可靠性和寿命，直接关系到装载机整机的安全、质量、性能和作业能力。

本文主要研究轮式装载机的中梁架，创新性地改变原中梁架的悬梁结构，把作用在悬梁板的拉应力转变为内部的压应力，利用板材许用受压应力远高于许用受拉应力的特点，增大纵向抗变形能力，提高整车承载能力和稳定性，提高装载机整体的强度、可靠性和寿命，降低用户的使用成本，给企业和用户创造价值。

本文采用CAE分析的方法，对比两种结构中梁架在相同边界条件情况下的应力水平，外八字中梁架应力大幅降低，结构更加稳健，寿命更加长，更加有实用意义。

1 中梁架的特点

轮式装载机中梁架位置及结构如图1、图2所示。一方面，装载机需要具备很强的通过障碍的能力，这决定了驱动桥要能摆动，在摆动限位时，中梁架要承受很大的冲击动载荷；另一方面，整机频繁前进、铲料、停止及后退循环，要求中梁架具有前后换向受力时的抗冲击能力足够强[1,2]。传统中梁架是直接切割板材后拼焊而成，存在如下不足：

（1）中梁架上的悬梁板受较大的拉应力作用。

（2）中梁架受交变作用力，结构易疲劳破坏。

（3）结构应力突变，应力分布不匀，易引起应力集中。

（4）厚板材能增强抗破坏能力，但结构笨重。

图1 中梁架在轮式装载机中的位置

图2 中梁架与后车架铰接的结构

如图3所示调整垫，在副车架相对中梁架转动时，起到传递冲击和作为减磨材料的作用。在装配时，副车架与中梁架悬梁板间隙分别为δ1、δ2，用一组调整垫调好后，整机前后往复运动的冲击力同时作用在中梁架两块悬梁板上，受力情况较好。在较长时间工作后，客户没有及时保养和更换，调整垫被磨损超过极限，如图4.此时副车架将会只与中梁架其中一块悬梁板单独接触，整机牵引力或制动力变成由单块悬梁板承受，且受拉应力。此为中梁架最为恶劣的工况，在设计计算中着重关注。

图3 调整垫的安装位置

图4 现场实测装配后的间隙

运用有限元分析法，在中梁架上施加与实际工况近似的冲击力（计算时施加的力=牵引力X动载系数），得出应力图如图5所示，高应力区出现在悬梁板分中面上板材边缘附近，从而确定调整垫磨损失效后的危险截面。周期性循环受力作用下，该悬梁板危险截面更易疲劳损坏。

图5 应力云图（单位：MPa）

2 改进方案

2.1 使用耐磨调整垫

为防止调整垫失效，需要增加耐磨性解决其易被磨损的问题。根据《机械设计手册》[3]，铜合金的使用寿命较高，可以达到要求，因而首选该材料做调整垫。同时，根据中梁架的特点，中梁架与副车架的相对运动不可避免，即该结构调整垫本身齐备有减磨作用和耐磨作用，受限于这一对矛盾体，调整垫的设计寿命提升空间受限，所以还需要寻求其他方案。

2.2 在中梁板上贴焊贴板

为加强悬梁板的承力能力，直接的方案是增大受力截面面积，本案采用局部加焊贴板增强原高应力区截面的方案，然后，用有限元方法进行分析，如图6所示，相比较单板结构，应力有效分布到其他区域，达到等强度设计效果。此方案通过加大受力截面面积的方法来提高承载能力，有一定的改善效果，但实际应用时，贴板上焊缝如果处理不好，反而会削弱此处强度。

图6 贴焊贴板后应力分布（单位：MPa）

给悬梁板建立一个简单的力学模型，并画出其弯矩图，如图7所示为简单超静定梁结构，悬梁板分中面和根部受很大弯矩作用。如果改为如图8的结构，悬梁板所受最大弯矩由PL/8下降至PL/16，弯矩下降100%，悬梁板受力得到极大改善。

图7 悬梁板力学模型

图8 悬梁板力学模型

3 外八字中梁架

如前文有限元分析显示，传统中梁架存在薄弱截面而开裂失效，开裂处受拉应力。如图8结构，悬梁板折弯，悬梁板能把竖直向下的纵向力，通过弯板本身内力转化为横向力，最后作用到根部上，充分发挥板材抗压性能好的特点，并且避免板材受弯矩，承受压应力能力远大于受拉应力能力的特点得到充分利用，将大大提高中梁架的结构稳定性和使用寿命。经研究分析，提出一种中梁架结构，如图9，图10所示，因形状类似中文“八”，且为配对对顶向外布置，所以叫外八字中梁架。

图9 外八字中梁架结构

图10 外八字中梁架装配到后车架上

外八字中梁架包括左右两侧的左联接板和右联接板，在这两块板间连接至少两组拱形悬梁板，拱形结构的悬梁板能把向前、向后的作用力都转变为各受力单元内部的压应力，无论装载机处在前进、停止、后退等工况，都至少有一组拱形悬梁板承受从桥传来驱动力或制动力，使中梁架承力能力提高，稳定性提高[4]。相比同等厚度的平直悬梁板，外八字中梁架悬梁板开裂损坏的概率降低。

采用CAE分析的方法，对比老结构形式的中梁架与外八字中梁架在相同边界条件情况下的应力水平，如表1、图11所示。

表1 应力分布对比

图11 外八字中梁架应力云图（单位：MPa）

综合上述各方案，取悬梁板分中截面上应力值最大的同一个位置进行对比，该点外八字中梁架应力值相较于传统中梁架下降幅度为30%，改进方案效果明显。

4 结论

外八字结构中梁架采用转化原则，悬梁板做成拱形，并配对对顶布置，把板材受的拉应力转化为板材内部的压应力，利用板材抗压能力远比抗拉能力强的特点，使得中梁架结构更加稳定，使用寿命更高。

装载机应用外八字结构中梁架已经过8000多小时验证，到目前为止没有接到外反馈，证明新结构设计合理，安全可靠。