何衛(wèi)東，康澤宇，于喜年

橋式凹板公路運(yùn)輸裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析

何衛(wèi)東，康澤宇，于喜年

（大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

基于聚能發(fā)生器公路運(yùn)輸裝備設(shè)計(jì)，為保證超長(zhǎng)超寬超高超重運(yùn)輸設(shè)備裝車方便及公路運(yùn)輸安全，運(yùn)輸車輛擬采用模塊化前后組合式軸線平板拖車，運(yùn)輸裝備設(shè)計(jì)為橋式凹板公路運(yùn)輸裝備并搭載于平板拖車之上。對(duì)運(yùn)輸裝備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵傳力部件進(jìn)行受力分析，保證聚能發(fā)生器運(yùn)輸過(guò)程的平穩(wěn)可靠。主要受力部件的關(guān)節(jié)軸承接觸應(yīng)力268.18 MPa、彎曲應(yīng)力49.54 MPa；軸及軸套接觸應(yīng)力883.15 MPa，彎曲應(yīng)力826.82 MPa。橋式凹板運(yùn)輸裝備傳力部件受力均小于材料許用應(yīng)力，滿足運(yùn)輸裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

關(guān)節(jié)軸承；公路運(yùn)輸裝備；橋式凹版；模塊化設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，重型載貨汽車是現(xiàn)代交通運(yùn)輸中十分重要的載運(yùn)工具之一。不規(guī)則的超重超寬超長(zhǎng)機(jī)械裝備的公路運(yùn)輸問(wèn)題一直影響著我國(guó)某些重大工程項(xiàng)目施工進(jìn)展，提高運(yùn)營(yíng)效益也是大件物流運(yùn)輸公司所追求的目標(biāo)，要降低運(yùn)輸單位成本，輕量化的大型公路運(yùn)輸裝備模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及可靠性分析尤為重要。本文以某重點(diǎn)工程項(xiàng)目中關(guān)鍵儀器設(shè)備的聚能發(fā)生器公路運(yùn)輸為研究對(duì)象，模塊化設(shè)計(jì)聚能發(fā)生器運(yùn)輸裝備。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)

圖1為聚能發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖，其總體為圓形超長(zhǎng)超寬超高超重結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)寬高尺寸為13 m×3.8 m×4.1 m，總重413 t。

圖1 聚能發(fā)生器結(jié)構(gòu)

為使裝卸車方便，根據(jù)聚能發(fā)生器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和后續(xù)物流運(yùn)輸需要，設(shè)計(jì)一套可拆卸拼接的模塊化橋式凹板公路運(yùn)輸裝備。應(yīng)用有限元法對(duì)橋式凹板公路運(yùn)輸裝備及關(guān)鍵部件進(jìn)行受力分析，對(duì)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)估，保證運(yùn)輸裝備安全可靠和運(yùn)輸過(guò)程的平穩(wěn)。如圖2所示為運(yùn)輸聚能發(fā)生器設(shè)計(jì)的公路運(yùn)輸裝備整體結(jié)構(gòu)示意圖，主要由牽引車及加長(zhǎng)動(dòng)力臂、組合式軸線平板拖車和橋式凹板運(yùn)輸裝備等構(gòu)件模塊組成，其中橋式凹板運(yùn)輸裝備由承載底板梁、加長(zhǎng)動(dòng)力臂、液壓升降機(jī)構(gòu)、牽引梁、連接銷軸及關(guān)節(jié)軸承等部件組成。

圖2 聚能發(fā)生器公路運(yùn)輸裝備整體結(jié)構(gòu)

由于我國(guó)各地公路等級(jí)不同，加之橋涵隧道以及坡路彎道和松軟路基等諸多復(fù)雜因素致使大件運(yùn)輸過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)增加。運(yùn)輸方案采用單車頭牽引，利用動(dòng)力鵝頸連接軸線平板拖車，橋式凹板運(yùn)輸裝備通過(guò)動(dòng)力鵝頸搭載于前后平板車上，凹部距地板面較低，適于裝運(yùn)外形高、重量大、支重面長(zhǎng)度短的貨物。使用凹底平車裝運(yùn)貨物，降低了貨物裝載高度，從而降低超限高度和貨物重心高度，增強(qiáng)大件運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性。

橋式凹板公路運(yùn)輸裝備的設(shè)計(jì)及受力分析對(duì)解決上述問(wèn)題具有實(shí)際意義，體積大、質(zhì)量重的運(yùn)輸車輛結(jié)合了牽引車及掛車，這種組合模式解決了超大件設(shè)備運(yùn)輸?shù)睦щy，可為類似大件的運(yùn)輸設(shè)計(jì)提供參考[1]。

2 橋式凹板整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)家等級(jí)公路和高速公路行駛貨運(yùn)車輛限重單軸10 t[2]，根據(jù)運(yùn)輸貨物重量，運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)為加長(zhǎng)動(dòng)力臂及承載底板梁搭載于前后25軸線平板車，橋式凹板運(yùn)輸裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

橋式凹板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力臂、底板、左右邊梁和蓋板等采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q690焊接而成。本文略去抗彎、抗扭強(qiáng)度以及位移和疲勞受力分析，將在后續(xù)研究中予以闡述。圖4所示為動(dòng)力臂與承載底板通過(guò)銷軸與軸套連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 橋式凹板運(yùn)輸裝備結(jié)構(gòu)

圖4 加長(zhǎng)動(dòng)力臂頸與承載底板連接結(jié)構(gòu)

動(dòng)力臂端部通過(guò)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承與牽引車轉(zhuǎn)向盤的動(dòng)力鵝頸連接，圖5為自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承裝配。自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承外圈材料OCr17Ni4Cu4Nb，內(nèi)圈材料9Cr18。

圖5 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承（缺軸）

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈模型如圖6所示。

圖6 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈模型圖

加長(zhǎng)動(dòng)力臂頸及承載底板由鋼板焊接組成，所用材料物理屬性見表1所示。

表1 橋式凹板運(yùn)輸裝備各材料物理屬性

名 稱材 料彈性模量/GPa泊松比密度/ (kg·m-3) 鋼板Q6902070.37.85 軸42CrMo2100.287.85 軸承內(nèi)圈0Cr17Ni4Cu4Nb2060.37.8 軸承外圈9Cr182000.37.8

軸及軸套為動(dòng)力臂與承載底板的傳力部件，其結(jié)構(gòu)模型如圖7所示，軸材料為42CrMo；軸套材料為Q690。

傳力軸部件除自重及均勻施加于承載底板上的貨物載重還包括牽引力作用。運(yùn)輸工況下加長(zhǎng)動(dòng)力臂頸距關(guān)節(jié)軸承端10 m處設(shè)置可調(diào)力臂支撐桿，約束其豎直方向的移動(dòng)自由度，為防止動(dòng)力臂塑性變形提供有力保障。

圖7 銷軸與軸套連接結(jié)構(gòu)圖

3 關(guān)鍵部件接觸分析

聚能發(fā)生器重413 t，根據(jù)文獻(xiàn)[3],設(shè)定動(dòng)載系數(shù)為1.345 6，取=1.345 6×413=555.73 t作為運(yùn)輸當(dāng)量載荷，經(jīng)計(jì)算承載底板梁承受4 900 MPa，載荷方向向下。通過(guò)Hypermesh軟件對(duì)橋式凹板運(yùn)輸裝備進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義材料屬性、邊界條件并通過(guò)Ansys軟件進(jìn)行有限元分析。底板梁整體采用殼單元Shell 181模擬，有限元模型單元數(shù)1 075 956，節(jié)點(diǎn)數(shù)971 458。關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，約束內(nèi)圈X,Y,Z方向移動(dòng)自由度；傳力軸部件僅產(chǎn)生沿Z方向的位移和繞Y方向轉(zhuǎn)動(dòng)，因此約束傳力軸部件X、Y方向移動(dòng)和X、Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)。傳力軸與軸套間隙配合，加載后軸與軸套發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，對(duì)關(guān)節(jié)軸承及傳力軸和軸套網(wǎng)格模型做面－面接觸設(shè)置，如圖8所示為傳力軸與軸套配合整體網(wǎng)格模型；圖9為接觸面網(wǎng)格模型。

圖8 傳力軸與軸套網(wǎng)格模型

圖9 傳力軸接觸面網(wǎng)格模型

單元信息及材料屬性如表2所示。軸的主要破壞形式為表面壓潰磨損及彎曲和斷裂，所以傳力軸的強(qiáng)度計(jì)算主要對(duì)其剪切受力和擠壓磨損而展開進(jìn)行[4]。

表2 傳力軸與軸套配合網(wǎng)格信息表

零件名稱單元類型單元數(shù)材料屬性 傳力軸Sollid18524480彈性模量207 GPa，泊松比0.28密度7.85 kg/m3，摩擦系數(shù)0.15 軸套Sollid18527739

關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈為曲面接觸，其接觸應(yīng)力直接影響軸承接觸疲勞和磨損，任何承載方式的關(guān)節(jié)軸承接觸應(yīng)力均處于接觸面中心，但內(nèi)圈應(yīng)力分布略有不同，軸向中間位置受徑向壓應(yīng)力作用。當(dāng)載荷施加于關(guān)節(jié)軸承接觸面時(shí)，承載區(qū)域各位置受力不同，假設(shè)接觸面為剛性接觸零間隙，分析軸承徑向壓應(yīng)力，可找出最大應(yīng)力所在位置[5-8]。

圖10為自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈配合模型，其網(wǎng)格信息如表3所示。

圖10 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈配合模型

表3 關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈配合信息表

零件名稱單元類型單元數(shù)材料屬性 內(nèi)圈Sollid18525752彈性模量206 GPa，泊松比0.3密度7.8 kg/m3，摩擦系數(shù)0.15 外圈Sollid18526973

3.1 傳力軸與軸套接觸分析

對(duì)傳力軸及軸套接觸分析，對(duì)底板梁升降過(guò)程及物料運(yùn)輸?shù)目煽啃院推椒€(wěn)性尤為重要。貨物自承載底板傳力至軸套，與軸接觸。對(duì)整體進(jìn)行接觸分析，圖11為軸與軸套接觸區(qū)域等效應(yīng)力與合位移云圖。軸端最大等效應(yīng)力883.15 MPa小于材料許用應(yīng)力。軸與軸套最大彎曲形變?yōu)?.87 mm。

圖11 軸與軸套接觸區(qū)域等效應(yīng)力與合位移云圖

圖12為傳力軸接觸等效應(yīng)力與剪切應(yīng)力云圖。最大等效應(yīng)力826.82 MPa，小于材料許用應(yīng)力，所受最大應(yīng)力發(fā)生在傳力軸邊緣處，可做倒圓處理以減小邊界應(yīng)力集中。軸端最大彎曲形變?yōu)?.83 mm。

圖12 銷軸接觸等效應(yīng)力與形變位移云圖

軸套與銷軸均為面接觸，等效應(yīng)力最大處均為軸套邊緣，如圖13所示，最大等效應(yīng)力分別為308.745、883.159、480.763 MPa。

圖13 軸套最大等效應(yīng)力圖

3.2 關(guān)節(jié)軸承接觸分析

關(guān)節(jié)軸承外圈固定于軸套內(nèi)，內(nèi)圈在剛性外圈環(huán)支撐下，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)外圈接觸中間位置，其應(yīng)力逐漸向兩端收斂，關(guān)節(jié)軸承整體接觸分析等效應(yīng)力與位移云圖如圖14所示。

圖14 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承外圈等效應(yīng)力與位移云圖

分析結(jié)果表明關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈最大等效應(yīng)力為780 MPa，位于關(guān)節(jié)軸承外圈的軸承套與支架焊接處。合位移0.112 1 mm符合剛度要求。

圖15分別為自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈等效應(yīng)力及位移云圖，內(nèi)圈等效應(yīng)力268.188 MPa、彎曲變形0.043 mm。所受應(yīng)力滿足材料許用應(yīng)力極限值要求。關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈接觸區(qū)域最大接觸應(yīng)力268.188 MPa，位置在接觸區(qū)域上端，接觸應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力。

圖15 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈等效應(yīng)力及位移圖

圖16自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承外圈接觸應(yīng)力及位移云圖，軸承底端最大等效應(yīng)力780.888 MPa，最大位移為0.112 mm發(fā)生在外圈上部。最大等效應(yīng)力低于材料許用應(yīng)力。最大接觸應(yīng)力268.188 MPa，接觸應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力。其與軸承套與支架焊接處產(chǎn)生邊界應(yīng)力780.888 MPa，可做結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理，本文不作贅述。

圖16 關(guān)節(jié)軸承外圈等效應(yīng)力及位移云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某聚能發(fā)生器的橋式凹板公路運(yùn)輸裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元分析軟件對(duì)運(yùn)輸裝備自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承及承載底板與加長(zhǎng)動(dòng)力臂連接的軸與軸套進(jìn)行受力分析。主要受力部件的關(guān)節(jié)軸承接觸應(yīng)力268.18 MPa、彎曲應(yīng)力49.54 MPa、合位移0.112 1 mm；軸及軸套接觸應(yīng)力883.15 MPa，彎曲應(yīng)力826.82 MPa、彎曲形變0.87 mm。橋式凹板運(yùn)輸裝備傳力部件受力小于材料許用應(yīng)力值，滿足運(yùn)輸裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，分析結(jié)果為橋式凹板運(yùn)輸裝備設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)保證。

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Structural Design and Force Analysis of Bridge Gravure Road Transport Equipment

HE Wei-dong, KANG Ze-yu, YU Xi-nian

（College of Mechanical Engineering，Dalian JiaoTong University, Dalian 116028, China）

This subject is the design of road transportation equipment of polygenerator for a key engineering project. In order to ensure the convenient loading of the ultra-long, ultra-wide, ultra-high and overweight transportation equipment and the safety of road transportation, the transportation vehicle is proposed to use a modular front and rear combined axis flatbed trailer, and the transportation equipment is designed as bridge gravure road transportation equipment and mounted on the flatbed trailer. The structural design of the transport equipment and the force analysis of the key force transmitting components ensure the smooth and reliable transport of the polygenerator. The contact stress of the main stress-bearing parts is 268.18 MPa and the bending stress is 49.54 MPa; the contact stress of the shaft and bushings is 883. 15 MPa and the bending stress is 826.82 MPa. The stresses on the transmission parts of the bridge gravure transport equipment are all less than the allowable stress of the material and meet the structural design requirements of the transport.

joint bearing; road transport equipment; bridge gravure; modular design

10.15916/j.issn1674-3261.2022.03.004

U270.38

A

1674-3261(2022)03-0156-04

2021-05-13

何衛(wèi)東(1967-)，男，遼寧朝陽(yáng)人，教授，博士。

康澤宇(1997-)，男，遼寧大連人，碩士生。

責(zé)任編輯：陳 明