某自卸车平衡桥横梁故障分析与改进设计
余伟 王以文 陈新正 张羽
摘要：为诊断某自卸车平衡桥横梁开裂原因，本文利用有限元分析对其结构强度进行了模拟分析，最终确定了引起故障的根本原因。同时，结合有限元分析对平衡桥横梁结构进行了改进设计，市场验证未再反馈质量问题。
关键词：有限元分析;平衡桥横梁;车架;结构强度;应力集中
中图分类号：U471 文献标识码：A
0引言
平衡桥横梁位于双后桥上方车架纵梁之间，是重型卡车关键的承载部件。本文针对某8×4自卸车平衡桥横梁开裂问题（图1），对用户使用工况进行了调查，发现开裂故障主要集中在矿区，路况恶劣且有超载现象。为了查明引起故障的根本原因，现对平衡桥横梁进行有限元模拟分析，并结合分析结果提出改进措施。
1车架总成有限元模型
由于平衡桥横梁位于车架中，受力复杂且难以直接提取载荷，因此需要搭建车架总成有限元模型来模拟平衡桥横梁的受力情况（图2）。模型主要包含车架总成、副车架总成、货箱底板、钢板弹簧、平衡悬架、驾驶室质心、动力总成质心、油箱支架、电瓶框支架和尿素罐支架等。
对于薄壁件采用壳单元进行离散，非薄壁件首选六面体单元离散，离散困难的非关注件采用一阶四面体，重点关注件采用二阶四面体。轮胎用rbe2单元模拟，桥用beam单元模拟，悬架用bush单元模拟，焊接用“rbe3+penta+rbe3”单元模拟，螺栓用“rbe2+beam+rbe2”单元模拟。重点关注区域零部件之间建立contact pair接触关系，铰链转动自由度按照实际情况模拟。模型搭建完毕后需校轴荷，误差控制在5%以内。模型单元总数为2068764，其中三角形单元数量为3589，占总单元数的0.17%。
2車架总成强度分析
2.1工况定义
负载质量分别为标载30t和超载40t时，按照表1所示的工况进行加载。
2.2结果分析
标载30t时，平衡桥横梁最大应力为278.3 MPa，小于其材料510L的屈服极限355.0 MPa，安全系数为1.27（图3）。
超载40t时，平衡桥横梁最大应力434.4 MPa，超过其材料510L的屈服极限355.0MPa，安全系数只有0.82。应力集中区域与开裂部位吻合，如图4和图5所示。
由上述分析结果可知，车架平衡桥横梁开裂的根本原因是矿区车辆超载，超过平衡桥横梁强度而开裂。为了解决特殊使用工况下平衡桥横梁强度不足问题，满足用户需求，现考虑在满载40t的条件下，对平衡桥横梁进行改进设计。
3改进设计
3.1改进后模型
平衡桥横梁原结构内衬板为平板结构，未能对开裂部位R角处起到加强作用。现改进后将内衬板设计为U型槽结构，通过螺栓与平衡桥横梁上下翼面相连，改进前后结构对比如图6所示。
3.2改进后结果分析
改进后，按照满载40 t货物进行加载，平衡桥横梁最大应力为312.7 MPa，小于其材料510L的屈服极限355.0 MPa，安全系数为1.13（图了）。
由结果可知，改进后平衡桥横梁安全系数为1.13，而改进前只有0.82，强度有了明显提升。目前改进方案已实车验证，未再反馈质量问题。市场验证结果也证明了该结构改进的可行性。
4结束语
通过有限元分析，对8×4自卸车平衡桥横梁开裂问题进行了故障再现，平衡桥横梁应力集中区域与开裂部位基本一致，说明矿区车辆超载是平衡桥横梁开裂的根本原因。经过改进设计后，强度得到了明显提升，市场验证未再反馈质量问题。此分析方法对快速解决售后质量问题切实有效。
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