35吨整体式渣罐车前桥结构优化

陈宗鑫 金 焰 刘华祥

（中冶宝钢技术服务有限公司，上海 200941）

35吨整体式渣罐车前桥结构优化

陈宗鑫 金 焰 刘华祥

（中冶宝钢技术服务有限公司，上海 200941）

本文针对35吨整体式渣罐车前桥设计结构强度较低，前桥羊角及桥体易断裂，转向油缸排量小造成转向吃力，主销轴易松动造成侧倾角移位问题，对前桥结构进行材料疲劳应力分析，找到症结，并对前桥结构成功进行了优化，从机械本质安全的角度使35吨整体式渣罐车渣罐运输作业安全得到保障，该成果在钢厂钢渣运输工艺中极具推广价值。

35吨渣罐车；前桥；结构优化

1 概述

35吨渣罐车的前桥故障一直是重要的检修作业难点和生产作业的安全隐患。其前桥的使用到目前为止共发展了两种规格，即铸造圆形桥和方形桥。目前由于车型为单前桥负重及转向，但因为前桥设计结构强度较低，前桥羊角易断及桥体易断裂，转向油缸排量小造成转向吃力，主销轴易松动造成侧倾角移位，以上问题给安全生产带来了较大的隐患。

2 35吨渣罐车前桥结构优化步骤与内容

2.1 35吨渣罐车前桥破坏位置及铸钢轴架结构应力分析

经过现场生产调研分析：发生破坏的前桥构件为铸钢件，其破坏位置多发生在轴架中多个直角过渡处。

前桥现场工作条件：罐车上的罐体重量为20吨，分两处位置施加在前桥主轴上，再传递到轴架上。

通过对铸钢前桥的有限元分析，铸钢前桥构件轴架结构平面与圆柱连接处由于过渡过于突兀，产生了大范围的应力集中；同时前桥构件轴架结构内部直角处由于过渡过于突兀，有两个较大的区域产生了明显的应力集中，对结构的使用寿命产生了极为不利的影响。

2.2 锻造轴架应力分析

针对铸钢轴架结构中两个直角位置发生应力破坏的情况，结合前述应力分析中发现的两处有明显的应力集中情况，特此将其结构做了较大的改进，由铸钢成型改为锻造成型。轴架内部的直角位置改为平缓的圆角过度，外部的直角过度增加了一个圆台过度，以期减少应力集中，提高轴架的寿命。

锻造前桥构件轴架结构由于进行了改进，只有一个较小的区域产生了一定程度的应力集中，应力值也有较大的下降。

2.3 铸钢实心主轴应力分析

在破坏发生时，前桥主轴为实心铸钢件；前桥构件中，主轴为均匀的圆形，其应力均处于较低的水平，最大应力为100MPa左右，远低于钢材的强度，其应力最大值出现于两边的支撑环。由此可以看出，铸造过程中的晶粒粗大﹑缩孔等组织缺陷对主轴的寿命影响更为明显。

2.4 锻造空心主轴应力分析

针对在破坏发生时，前桥主轴为实心铸钢件，铸造过程中容易发生晶粒粗大，出现缩孔﹑夹杂等组织缺陷，对主轴的寿命影响较为不利。在新设计中，改用锻造成型，可以细化晶粒，改善组织，提高材料的性能。同时，鉴于主轴的应力水平较低，改为空心管状结构，以节省材料，减轻自重。

锻造前桥构件中，主轴是均匀的圆形，不管是实心改为空心，其应力仍处于较低的水平，没有明显的增加，中心位置最大应力为120MPa左右，远低于钢材的强度，其应力最大值出现于两边的支撑环。由此可见，主轴结构的改变并没有对主轴的应力水平产生明显的改变，而其组织的改善，自重的减轻，对其使用寿命有极为有利的影响。

2.5 制定35吨渣罐车前桥结构优化方案

根据上述前桥结构有限元的分析，对前桥结构制定如下改进方案：一是前桥材料由原来的铸造成型变成锻造成型，由原来的铸钢件变成42CrMo锻件；二是轴架内部的直角位置改为平缓的圆角过度，外部的直角过度增加了一个圆台过度，以期减少应力集中，提高轴架的寿命；三是增大前桥羊角尺寸，将前桥羊角的倒角半径由原来的5mm增加到10mm；四是增大羊角安装孔的开孔尺寸，立轴铜套加厚；五是将转向油缸由2个缩减至1个，使转向角达到更为理想的状态，使渣罐车车轮在转向时更为轻便﹑灵敏，降低操作人员的操作强度见图1。

图1 前桥主轴及其羊角设计图

3 35吨渣罐车前桥结构优化后应用效果

通过装配和调试，并进行实际应用，新型前桥在如下几个方面取得了成功：

（1）车辆转弯时各转向轮无滑动和滚动，转弯半径较小；

（2）车辆在转向时方向盘操纵轻便，转向灵敏,回转圈数少,同时转向时转向轮所受的侧向力适当地反馈到方向盘上，避免了“打手”现象的发生；

（3）该新型前桥应用后调整﹑维修方便。从渣罐车修理备件费用来看，前桥备件费用降为原来的1/3，一年每台渣罐车省去前桥备件费用1.08万元，取得良好的经济效益；

（4）前桥使用寿命从原来的8个月增加至12个月。

当然，前桥改进在取得上述成功的同时，也存在一些负面的影响，主要是由于转向油缸由两个缩减至一个，在方向盘转弯时需转向阀开启不同的角度。

[1]赵金龙, 孙昌旺, 徐伟刚． 重型汽车双前桥转向系统分析优化研究[J]． 重型汽车, 2010, （3）．

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