徐偉杰 劉鑫鑫

中國(guó)重汽集團(tuán)青島重工有限公司 山東青島 266111

礦用自卸車鏈?zhǔn)介_合機(jī)構(gòu)軸銷分析

徐偉杰 劉鑫鑫

中國(guó)重汽集團(tuán)青島重工有限公司 山東青島 266111

針對(duì)某些礦用自卸車開合機(jī)構(gòu)掛鉤處銷軸時(shí)有斷裂的情況，以直徑為18 mm、材料為45#鋼的銷軸為研究對(duì)象，對(duì)開合機(jī)構(gòu)銷軸相關(guān)件進(jìn)行了受力分析，提出了采用40Cr材料解決銷軸斷裂問題的改進(jìn)方案，經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證沒有發(fā)生過斷裂情況，為今后類似問題的解決提供了參考。

開合機(jī)構(gòu) 銷軸 疲勞分析 有限元

1 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)大型露天礦、水利工程的發(fā)展，噸位高、消耗低、技術(shù)含量高的非公路自卸車的需求有了較大提高。由于此類車輛卸貨頻繁、承載重，其鎖緊后門的開合機(jī)構(gòu)掛鉤處銷軸時(shí)有斷裂的情況發(fā)生，為解決此問題，本文以直徑為18 mm、材料為45#鋼的銷軸為研究對(duì)象，對(duì)開合機(jī)構(gòu)銷軸相關(guān)件進(jìn)行受力分析，最終得出解決銷軸斷裂的方案。

2 開合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及原理

目前國(guó)內(nèi)礦用自卸車以鏈條式開合機(jī)構(gòu)為主，卸貨時(shí)，自卸車貨箱通過舉升缸的作用后傾，后門鎖緊鉤與鏈條下固定點(diǎn)距離減小，鎖緊鏈條松弛，后門鎖緊鉤不再鎖緊后門，鎖緊鉤在后門重力作用下推開，從而實(shí)現(xiàn)卸貨。卸貨完畢后，貨箱通過重力作用落下，后門鎖緊鉤在鏈條的拉力作用下將后門壓緊并關(guān)閉。礦用自卸車示意如圖1所示，開合機(jī)構(gòu)示意如圖2所示。

3 軸銷及鏈條強(qiáng)度計(jì)算

3.1 大于安息角部分貨物受力

以礦山自卸車經(jīng)常拉的貨物鐵礦為例，鐵礦的密度為1.8～2.0 t/m3，取中間值1.9 t/m3，鐵礦的安息角為40°，貨箱內(nèi)尺寸長(zhǎng)×寬×高為5.8 m×3.1 m×1.7 m。鐵礦堆放大于安息角的部分如圖3陰影部分所示，該部分鐵礦在沒有后門阻擋時(shí)會(huì)產(chǎn)生下滑的趨勢(shì)，故計(jì)算該陰影部分的受力即可得出后門所受的力。

計(jì)算可得，G陰影=99 403 N。

陰影部分垂直面的受力分析如圖4所示，根據(jù)受力分析可知：F后門= tan40o×G陰影=83 409 N。

3.2 后門受力分析

因?yàn)楹箝T鉸鏈銷是后門的旋轉(zhuǎn)固定點(diǎn)，可以看作力矩的中心，陰影部分貨物對(duì)后門的力F后門是水平向后且受力點(diǎn)可視為在后門的質(zhì)心位置，開合機(jī)構(gòu)鎖緊鉤在后門的最下端，懸掛后門的鉸鏈臂高度尺寸為固定不變的數(shù)值。后門質(zhì)量以1 t（G后門=1 000 kg）計(jì)算。由于礦用車的使用工礦較為惡劣，考慮到行車過程中顛簸路況引起貨物對(duì)后門的瞬間沖擊及剎車過程的貨物沖擊等因素影響，后門受力狀態(tài)應(yīng)該在該值基礎(chǔ)上放大，安全系數(shù)取1.5。

因此由圖5可知，S1和S2為分析實(shí)例的已知尺寸：

求得F鉤=69 333 N。

3.3 掛鉤受力分析

由于后門采用兩道后門鎖緊鉤，且鏈條安裝方向?qū)︽湕l受力影響較大，貨箱后懸越大鏈條受力越小，由于寬體礦用車貨箱后懸較小且變化不大，鎖緊鉤的受力如圖6所示，由圖可知：

求得 F鏈= 117.8 kN。

因此單根鏈條承受的力為117.8 kN，寬體礦用自卸車選用直徑為16 mm的起重用短環(huán)鏈，該鏈條最小破斷力為320 kN[1]，完全可以滿足使用要求。

3.4 銷軸計(jì)算

鎖緊鉤處連接鏈條的銷軸選用直徑為18 mm，材料為45#鋼，軸銷的受力如圖7所示。根據(jù)受力情況，軸銷中段相對(duì)于左右兩段，沿m—m和n—n兩個(gè)面向下錯(cuò)動(dòng)，所以有兩個(gè)剪切面，稱為雙剪切[2]。由平衡方程可知：

軸銷橫截面上的切應(yīng)力τ為

45#鋼的許用應(yīng)力為360 MPa ，考慮材料的不均勻性、內(nèi)部可能存在的缺陷等因素，安全系數(shù)取1.5，則銷軸收縮應(yīng)力τ1=τ ×1.5=347.55 MPa，接近45#鋼的許用應(yīng)力。

通過以上計(jì)算可知，Φ18、45#鋼材料的銷軸不能滿足該礦用自卸車的使用要求，故銷軸時(shí)有斷裂發(fā)生。若要提高該銷軸強(qiáng)度，一方面可通過增加銷軸直徑，另一方面也可選用更為優(yōu)質(zhì)的材料。但是提高銷軸的直徑需要調(diào)整與之配合零件的尺寸，不利于原有庫(kù)存件的消化，而且增加了產(chǎn)品的種類，不利于生產(chǎn)的展開。因此，考慮選用優(yōu)質(zhì)材料，既可以保證零件的通用性，又不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成較大影響。經(jīng)查表可知，40Cr調(diào)制后的許用應(yīng)力為550～800 MPa[1]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于45#鋼的360 MPa，可以滿足受力要求。下面對(duì)40Cr材料的銷軸進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。

4 40Cr有限元分析驗(yàn)證

銷軸的材料為40Cr，先采用三維軟件Pro/E建模，然后導(dǎo)入Ansys workbench中進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。

4.1 模型簡(jiǎn)化

模型雖較為簡(jiǎn)單，但是為了便于后續(xù)的有限元分析，對(duì)銷軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉對(duì)應(yīng)力影響不大的圓角和倒角，簡(jiǎn)化后的模型如圖8所示。

4.2 約束處理

按照實(shí)際工作情況對(duì)模型施加約束。銷軸與鏈條連接處以及銷軸與支座連接處分別添加x軸、y軸和z軸3個(gè)方向的平移約束以及繞y軸和繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，即在銷軸表面施加圓柱面約束。

4.3 施加載荷

按照實(shí)際載荷的方向進(jìn)行加載，考慮礦用自卸車在實(shí)際工作狀態(tài)下路況較差，加載的力也應(yīng)考慮路面不平度的影響。

施加的載荷有兩個(gè)，一個(gè)是鎖緊鉤處連接鏈條對(duì)銷軸的作用力F鏈，另一個(gè)是支座對(duì)銷軸的作用力FS，軸銷的受力如圖8所示。在自卸車工作時(shí)，由于使用工況較為惡劣。為了更好地模擬鎖緊鉤處銷軸的實(shí)際工作狀態(tài)（即路面不平度的影響），可將銷軸的受力看作一個(gè)隨計(jì)算值上下波動(dòng)10%的激勵(lì)，具體加載的力仍以計(jì)算值為標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 結(jié)果及分析

考慮銷軸的使用工況和受力狀態(tài)，利用Ansys workbench進(jìn)行有限元分析，得到有限元計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出，銷軸的最大應(yīng)力為274.82 MPa，遠(yuǎn)小于40Cr的屈服強(qiáng)度。可見，40Cr能夠滿足該礦用自卸車的使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過以上分析，驗(yàn)證了40Cr材料的銷軸能夠滿足強(qiáng)度要求，選用材料的改進(jìn)方案更有利于解決銷軸斷裂問題。改進(jìn)后的軸銷已經(jīng)過市場(chǎng)驗(yàn)證，沒有發(fā)生過斷裂情況，此方案值得廣大同行在實(shí)際生產(chǎn)中參考借鑒。

[1] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第二卷.第3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

Structural Analysis of Chain Open-close Mechanism Pin Shaft of Big Mining Dumpers

XU Wei-jie et al

Regarding to the crack of open-close mechanism pin shaft in some mining dumpers, basing on the study of 18 mm、45# steel pin shaft, the pressure analysis was carried on and the improvement solution that using 40Cr material solving the crack problem was put forward, providing reference for the upcoming problems related to the same case.

open-close mechanism; pin shaft; fatigue analysis; finite element

U469.4.03

A

1004-0226(2015)05-0106-03

徐偉杰，男，1982年生，工程師，現(xiàn)從專用汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

2014-12-05