工程车车架整体结构发展和优化方向研究

刘兴国，黄才贵，蒋正忠

（南宁学院，广西 南宁 530200）

0 引言

工程车是实现工程建设的重要机械[1]，能够提高工程建设的效率并提升建设目标的质量，工程车针对的目标类型多样[2]，用于工程的运载、挖掘、抢修和作战等内容[3]，目前常见工程车有重型运输车辆、大型吊车、挖掘机、推土机、压路机、装载机、电力抢修车和工程抢险车等。工程车的广泛运用对工程建设的意义重大，但工程车安全事故率长期居高不下，一方面是由于操作人员的失误，另一方面是因为车辆本身结构和安全措施没有做到位。国内外工程车的建造中常常会采用雷达、摄像头、超声波等辅助设备来辅助驾驶人员，大大降低事故发生率。对于工程车来说，必须控制其关键部位的安全稳定性，才能使其能够顺利地进行工程建设活动，而工程车车架就是工程车上最为关键的结构之一。

目前，国内外学者已经认识到了工程车各个部分的构件的重要作用，并且对工程车的结构特性和改善方案等研究上有了较为丰富的成果，例如，周厚强等[4]发现重型轮式工程车野外作业时，车轮故障率较高，例如爆胎、车轮温度过高、制动失效等，有必要经常进行现场车轮更换、轮毂制动鼓清洗、轮毂制动蹄片更换等[5]；胡文华等[6]针对市场反馈某型工程车翻转机构螺栓在实际使用中发生断裂，并且出现车身不正的现象，对翻转机构进行了有限元分析，找到了故障原因。但是，现有研究还缺乏对于工程车车架整体结构的结构发展和优化方向研究，本文针对已有研究的不足进行解决，从而提出相应的研究结论，对工程车车架的改进有重要意义。

1 工程车车架整体结构易出现的问题

由于工程车常常需要进行野外作业，因此容易因恶劣环境和长期工作造成损伤，而工程车车架出现损伤后，不但会影响工程建设的效果和效率，还有可能会威胁工程车驾驶人员和工程建设范围内相关人员的生命健康安全，因此必须针对工程车车架整体结构容易出现的问题进行归纳总结，从而进行后续研究。

1.1 工程车车架出现抖动

工程车在进行工程建设过程中经常会发生承受较大荷载、高频运动和长时间工作等情况，因此，对工程车车架提出较高的要求，这其中，由于各种各样的原因，常常会发生工程车车架发生异常抖动的情况，由于工程车车架的抖动，可能会造成工程车难以符合工程建设的需要，抖动会导致工程车进行位置定位时的不准确，在部分需要高精度定位的情况下，抖动还会使工程车与工程建设对象的连接失败，从而严重影响工程工期以及工程建设的质量，因此必须重视工程车车架出现抖动的问题。

1.2 工程车车架部分位置出现裂纹或变形

由于工程车车架是工程车承受荷载的重要部位，因此在工程车发生倾覆、侧翻等情况时，很可能是由于工程车车架出现损伤导致的，工程车车架的损伤主要表现为工程车车架部分位置出现裂纹或变形。工程车车架部分位置出现裂纹时，会造成其部分位置出现应力集中，从而造成工程车车架更容易破坏，在裂纹发展到一定情况后，会导致裂纹贯通，从而导致工程车车架整体破坏，而工程车车架部分位置出现变形时，会导致工程车车架受力不稳定，内力分布失调，导致工程车整体结构受力紊乱，从而导致工程车可能发生侧翻等情况[7]。

1.3 工程车车架难以符合工程环境的需要

由于工程车常需要在特殊工程环境下进行作业，因此，必须考虑工程车车架在特殊环境下的抵抗特性，这其中，重点需要关注的是在高温、高寒、高湿度、高腐蚀性等情况下的工程车车架的抗性，上述的工程环境很可能导致工程车车架直接出现损伤，或者导致工程车车载在承受荷载的过程损伤加剧，因此，应当考虑工程车的运行环境，从而避免工程车车架难以承受特殊环境，而在工程建设环境下进行工程车车架的维修或者更换都极其花费时间，严重影响工程进度，因此必须考虑其在特殊环境下的特殊性能。

2 工程车车架整体结构发展的方向

目前，针对于工程车车架而言，单独考虑车架的螺栓、横纵梁等部件的力学性能有一定的工程意义，但是仍应该重点考虑工程车车架的整体结构，根据工程车车架的现有功能特点和工程技术特性，可以从以下方面来进行工程车车架整体结构发展的方向提升。

2.1 提高工程车车架的材料特性

首先，应当关注工程车车架的建造材料。材料是任何结构进行受力的基础，只有足够优秀的材料，才能够在工程建设中发挥重要的作用，对于工程车车架而言，其涉及到的材料特性包括：密度、弹性模量、延性、特殊抗性等。在密度上，应当关注工程车车架能否拥有较轻的质量和较小的体积，由于工程车往往需要承受车上相关器械的重量或者搬运相关的器物，能够承受的荷载是有限的，而轻质的工程车车架能够让工程车能够承受更高的荷载，在弹性模量上，弹性模量的提高表明工程车车架在高荷载情况下的变形较小，在延性上，更大的延性能够使工程车车架能够承受更大的变形，而能够承受的变形更大之后，能够便于发现工程车车架的损伤，而特殊抗性则是为了实现工程车车架符合工程环境的需要，主要是为了应对高温、高寒、高湿度、高腐蚀性等情况。

2.2 改善工程车车架的结构分布

除了材料特性以外，还应当关注工程车车架的结构分布。材料决定了结构承受内外的基本特性，而合理的结构分布能够最大程度地减少材料的使用以及帮助车架合理地实现功能。对于工程车车架而言，应当以目标为导向来进行结构分布的设计和建造，工程车车架的结构分布决定着其在承受荷载下的内力分布，因此必须关注工程车车架的结构，尤其注意如何使其在最小重量的前提下实现承受最大承载，并且能够承担不同类型的荷载，包括剪力、轴力和弯矩等，能够在不同组合的荷载作用下保证工程车车架的正常使用[8]。

3 工程车车架整体结构优化的要点

针对工程车车架整体结构易出现的问题，结合工程车车架整体结构发展的方向，根据笔者在工程车管理和使用中的相关研究，总结得出工程车车架整体结构优化的要点，主要包括以下内容。

3.1 发展工程车车架的新型材料

材料特性是工程车车架整体结构发展的重要方向，因此，必须关注和发展工程车车架的新型材料。对于工程车车架的新型材料，必须关注其建设成本和工程应用的价值，而这需要一个较为明显的时间周期，在发展工程车车架的新型材料的过程中，应当以工程车车架部分位置出现裂纹或变形和工程车车架难以符合工程环境的需要等问题为目标，在工程车车架的新型材料的运用中，首先进行多因素的选择，同时关注工程车车架的内部之间的各种材料综合使用，在建造过程中对于工程车车架的新型材料进行多功能性的测试，并且考虑工程车车架的新型材料的合理使用周期，值得注意的是，目前对于工程车车架的新型材料在高温、高寒、高湿度、高腐蚀性等情况下的抵抗性能研究仍然较少，因此，必须关注上述方面的问题，从而进行工程车车架的新型材料合理优化。

3.2 控制工程车车架的整体振动性能

针对工程车车架出现抖动和工程车车架部分位置出现裂纹或变形的问题，在发展工程车车架的新型材料之外，还应当重点从控制工程车车架的整体振动性能上进行考虑。工程车车架的整体振动性能的主要表现因素包括振型、自振频率以及阻尼比等内容，振型决定工程车车架在承受动力作用下的整体变形和受力特点，而工程车车架的结构复杂，往往还不单只有一个振型，而多振型之间的耦合关系还很复杂，自振频率则决定着工程车车架在动力作用下是否与荷载发生共振，自振频率和荷载频率越接近，则工程车车架发生结构破坏的可能性就更大，而阻尼比则决定着工程车车架在荷载作用下是否能够以自身特性抵消荷载作用，因此，无论是振型、自振频率以及阻尼比，都影响着工程车车架的整体振动性能，因此也必须通过控制各个个体指标来实现对于工程车车架的整体振动性能的控制。

3.3 加强薄弱位置的抵抗力

工程车车架的整体振动性能十分重要，但整体振动性能的损伤或整体结构的破坏往往是由于薄弱位置的损伤或者破坏开始，这其中表现出来的现象之一就是工程车车架部分位置出现裂纹或变形，所谓的薄弱位置产生的原因也很多，包括材料的劣性和部分特殊位置需要承受更大的荷载。材料的劣性体现在由于人为难以控制的因素，工程车车架的局部位置会由于存在杂质、材料的各向异性等造成损伤，而部分特殊位置需要承受更大的荷载则是所有复杂结构都会出现的问题，由于荷载的复杂和结构的连接特性，工程车车架必然会有一部分位置会承受主要的荷载，而材料的劣性和部分特殊位置需要承受更大的荷载导致薄弱位置难以承受内外力作用，因此，必须针对薄弱位置，对工程车车架进行预先的模拟分析，从而加强薄弱位置抵抗内外力的能力，以免由于薄弱位置的损伤导致工程车车架整体结构的损伤。

3.4 加强对于工程车车架的损伤监测

工程车车架的损伤往往不是一蹴而就的，而是经过缓慢地积累导致的，尤其是对于工程车车架部分位置出现裂纹或变形这一问题，在工程车的使用过程中，如果通过加强对于工程车车架的损伤监测，完全可以发现潜在的问题。对于工程车车架的损伤监测应当从工程车车架是否发生变形、工程车车架是否出现裂缝或者出现裂缝的数量和宽度、工程车车架的振动性能是否一致、工程车车架的老化特性等内容上出发，工程车车架是否发生变形、工程车车架是否出现裂缝或者出现裂缝的数量和宽度直接关系着工程车车架的是否能够完成正常工作的需要，工程车车架的振动性能是否一致关系着工程车车架是否会出现抖动等情况，而工程车车架的老化特性关系着工程车车架是否会在特定的时间点上发生突然性的破坏，因此要对工程车车架的使用寿命进行分析预测。总而言之，工程车车架的损伤监测是现有的工程车研究上很少开展的内容，但是需要重点对其进行研究。

4 结语

工程车的安全稳定性对工程建设的意义重大，工程车车架作为工程车的重要部位，需要对其整体结构发展和优化方向进行深化研究，对于工程建设的发展和提升有重要意义，本文开展系列研究，主要有以下结论：

（1）分析了工程车车架整体结构易出现的问题，包括工程车车架出现抖动、工程车车架部分位置出现裂纹或变形以及工程车车架难以符合工程环境的需要等内容。

（2）分析了工程车车架整体结构发展的方向，包括提高工程车车架的材料特性以及改善工程车车架的结构分布。

（3）提出了工程车车架整体结构优化的要点，应当从发展工程车车架的新型材料、控制工程车车架的整体振动性能、加强薄弱位置的抵抗力以及加强对于工程车车架的损伤监测几个方向出发。