摘要：介紹了限超背景下8方混凝土攪拌運(yùn)輸車的車架結(jié)構(gòu)，對車架進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析的結(jié)果對車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使攪拌車車架設(shè)計更為合理。攪拌車車架通過有限元分析進(jìn)行輕量化，降低整車重量，滿足市場輕量化的要求。

關(guān)鍵詞：混凝土攪拌運(yùn)輸車車架;有限元分析;輕量化;安全系數(shù)

中圖分類號：U469收稿日期：2022-06-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.014

1前言

隨著國家限超政策的出臺，治超力度越來越大，罐體能夠裝載最大量的混凝土且還能滿足法規(guī)要求，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，才能讓客戶完全認(rèn)可，攪拌車輕量化設(shè)計成為趨勢。攪拌車輕量化設(shè)計通過上裝部件車架和罐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用高強(qiáng)度耐磨鋼板等一系列措施降低自重，與底盤匹配后，整車整備質(zhì)量減小，從而使車輛的載質(zhì)量增加[1-2]。

攪拌車車架在輕量化過程中，因車架具有較高的強(qiáng)度和剛度，在行駛過程中，會造成局部應(yīng)力集中;車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，會引起車架斷裂;車架剛度較低，會發(fā)生扭曲變形，引起整車側(cè)翻或傾覆。車架優(yōu)化設(shè)計通過有限元分析滿足車架的強(qiáng)度和剛度[3-4]。

根據(jù)國標(biāo)GB/T 26408-2020混凝土攪拌運(yùn)輸車要求，三軸攪拌車最大允許總質(zhì)量25 000kg，攪動容積<6 m;四軸攪拌車最大允許總質(zhì)量31 000kg，攪動容積<8 m3。本文按照最大容積方案進(jìn)行分析，即四軸8方混凝土攪拌運(yùn)輸車。

2車架結(jié)構(gòu)

混凝土攪拌運(yùn)輸車車架由縱梁和橫梁組成，縱梁和橫梁都采用矩形管，并且縱梁為一體式無拼接，保證車架整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。車架上安裝有前臺、后臺、罐體、減速機(jī)等，攪拌罐前后兩端坐落在前后臺上，承載罐體和滿載混凝土的重量。為增加車架整體強(qiáng)度，前臺下部與縱梁連接部位除了焊接橫梁外，還焊接加強(qiáng)板。后臺前端橫梁處于前后臺中間部位，對整個車架的扭轉(zhuǎn)變形起到重要作用，焊接增加縱梁強(qiáng)度的加強(qiáng)扣件，并且在橫梁四周焊接加強(qiáng)件。為進(jìn)一步增加整車的穩(wěn)定性，橫梁與后臺之間左右兩側(cè)焊接有斜撐。

8方混凝土攪拌運(yùn)輸車設(shè)計時對罐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，罐體長度較短，罐體布置角度也有所變化，這樣整車長度縮短，載荷布置更加合理，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，車架布置拉撐的空間縮短，斜撐尺寸相應(yīng)變小，整車自重得到減輕。目前攪拌車車架結(jié)構(gòu)一般分為帶斜撐和不帶斜撐兩種;普通斜撐結(jié)構(gòu)由幾種零部件組焊在一起，有些會在斜撐上面開孔，進(jìn)一步減重。本文對斜撐有減重孔的車架進(jìn)行有限元分析，車架模型見圖1。

3車架各工況有限元分析

車架的縱梁、橫梁、加強(qiáng)件材質(zhì)為Q355B，Q355B材料彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度463 MPa，抗拉強(qiáng)度556 MPa，延伸率27.6%。車架零部件的有限元分析采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為10 mm;強(qiáng)度安全系數(shù)為1.3。攪拌車有限元受力分析的受力點為減速機(jī)軸端頭、拖輪與罐體滾道的接觸點，考慮罐體內(nèi)部螺旋葉片的存在造成攪拌罐旋轉(zhuǎn)過程中混凝土重心的位置偏離垂直面，此次分析設(shè)定混凝土重心偏離距離為100 mm，罐體包含混凝土主要受到重力和為前、后臺支反力作用，各支反力大小均考慮了1.2倍動載系數(shù)。

本文靜力仿真工況設(shè)定滿載勻速上坡工況、滿載勻速下坡工況、滿載彎曲工況、滿載制動工況以及滿載轉(zhuǎn)彎工況5種工況。

3.1滿載勻速上坡工況

車架總體最大等效應(yīng)力為269.3 MPa，出現(xiàn)在前臺左邊側(cè)板底部與車架橫梁交接處，車架總體最大變形量為1.2 mm，出現(xiàn)在后臺左邊側(cè)板上沿處;車架與斜撐最大等效應(yīng)力為246.9 MPa，出現(xiàn)在縱梁側(cè)部后處約束處;車架與斜撐最大變形量為1.0mm，出現(xiàn)在右斜撐上封板中間位置;車架應(yīng)力和變形云圖如圖2所示。

3.2滿載勻速下坡工況

車架總體最大等效應(yīng)力為291.4 MPa，出現(xiàn)在縱梁側(cè)部前處約束處;車架總體最大變形量為1.2 mm，出現(xiàn)在后臺左邊側(cè)板上沿處;車架與斜撐最大等效應(yīng)力為291.4 MPa，出現(xiàn)在縱梁側(cè)部前處約束處;車架與斜撐最大變形量為1.1 mm，出現(xiàn)在右斜撐上封板中間位置。因車架總體、車架與斜撐最大等效應(yīng)力出現(xiàn)部位一樣，所以只保留車架與斜撐應(yīng)力云圖見圖3;車架總體變形云圖借用圖2b。

3.3滿載彎曲（平路運(yùn)輸）工況

車架總體最大等效應(yīng)力為346.7 MPa，出現(xiàn)在縱梁側(cè)部后處約束處;車架總體最大變形量為1.3 mm，出現(xiàn)在后臺左邊側(cè)板上沿處;車架與斜撐最大等效應(yīng)力為346.7 MPa，出現(xiàn)在縱梁側(cè)部后處約束處;車架與斜撐最大變形量為1.1 mm，出現(xiàn)在右斜撐上封板中間位置。因車架總體、車架與斜撐最大等效應(yīng)力出現(xiàn)部位一樣，所以只保留車架與斜撐應(yīng)力云圖見圖4;車架總體變形云圖借用圖2b，只是變形量增加了。

3.4滿載制動工況

車架總體最大等效應(yīng)力為302.9 MPa，出現(xiàn)在左邊縱梁側(cè)部前處約束處;車架總體最大變形量為1.0 mm，出現(xiàn)在前臺左邊側(cè)板上部與頂板交接處;車架與斜撐最大等效應(yīng)力為302.9 MPa，出現(xiàn)在左邊縱梁側(cè)部前處約束處;車架與斜撐最大變形量為0.8 mm，出現(xiàn)在前板前板與左側(cè)縱梁交接處。因車架總體、車架與斜撐最大等效應(yīng)力出現(xiàn)部位一樣，所以只保留車架與斜撐應(yīng)力，見圖5b;變形云圖見圖5a、圖5c。

3.5滿載轉(zhuǎn)彎工況

車架總體最大等效應(yīng)力為391.4 MPa，出現(xiàn)在前臺左側(cè)側(cè)板底部與車架橫梁連接部位;車架總體最大變形量為3.2 mm，出現(xiàn)在后臺左側(cè)側(cè)板上沿處;車架與斜撐最大等效應(yīng)力為391.4 MPa，出現(xiàn)在縱梁側(cè)部前處約束處;車架與斜撐最大變形量為2.6mm，出現(xiàn)在右側(cè)斜撐上封板中間處。因車架總體和分體最大等效應(yīng)力出現(xiàn)部位一樣，所以只保留車架與斜撐應(yīng)力圖見圖6;車架總體變形云圖借用圖2b，只是變形量增加了。

通過在5種工況下的有限元分析，車架和斜撐的最大等效應(yīng)力、安全系數(shù)以及車架總體最大位移值見表1;雖然有四個工況安全系數(shù)滿足要求，但轉(zhuǎn)彎工況下，車架與斜撐的安全系數(shù)有點低，所以需要優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)。

4車架優(yōu)化

車架優(yōu)化不僅需要保證車架結(jié)構(gòu)的安全性還要保證車架重量最小，現(xiàn)將帶斜撐車架縱梁材料由Q355B更換為700L，其他部件材料由Q355B 更換為610L，對以上五種工況進(jìn)行優(yōu)化后進(jìn)行有限元分析。700L材料彈性模量228.2 GPa，泊松比0.29，屈服強(qiáng)度708 MPa，抗拉強(qiáng)度771 MPa，延伸率23.6%;610L材料彈性模量221GPa，泊松比0.29，屈服強(qiáng)度590 MPa，抗拉強(qiáng)度664） MPa，延伸率24.1%。車架優(yōu)化中的橫梁和斜梁指車架中所有橫梁、斜梁，厚度統(tǒng)一更改。車架零件編號示意圖見圖7，優(yōu)化后結(jié)果見表2。

帶斜撐車架優(yōu)化后五種工況下的有限元分析結(jié)果見表3，上坡工況的應(yīng)力云圖見圖8，下坡工況的應(yīng)力云圖見圖9，轉(zhuǎn)彎工況的應(yīng)力云圖見圖10。

對表1和表3進(jìn)行對比分析，優(yōu)化后斜撐與車架安全系數(shù)都得到增加，車架總體變形量稍有增大，變動范圍可控，所以優(yōu)化方案滿足要求，并且自重得到減輕。

優(yōu)化化后的8m攪拌車進(jìn)行實車試驗，試驗車總質(zhì)量31 000 kg，在行駛里程為5415 km時，其中一般公路為4309 km，農(nóng)安2#環(huán)路為1106 km，試驗過程中車架均無開裂開焊等失效情況。

5結(jié)語

a.攪拌車車架原有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足爬坡、下坡、向前加速、緊急制動四種狀態(tài)，側(cè)向轉(zhuǎn)彎安全系數(shù)低，需要優(yōu)，化車架結(jié)構(gòu);

b.車架優(yōu)化方案為車架縱梁材料更換為700 L，其他部件材料更換為610L，車架優(yōu)化前重量510.3kg，優(yōu)化后重量374.2 kg，減重136.1 kg，減重26.7%，減重成果明顯。

c.車架優(yōu)化后安全系數(shù)得到提高，滿足爬坡、下坡、向前加速、緊急制動、側(cè)向轉(zhuǎn)彎五種狀態(tài)要求，雖然變形量稍有增大，但變動范圍可控。

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作者簡介：

段曉峰，男，1980年生，工程師，研究方向為工程機(jī)械系統(tǒng)。