桥式凹板公路运输装备结构设计及受力分析

何卫东，康泽宇，于喜年

桥式凹板公路运输装备结构设计及受力分析

何卫东，康泽宇，于喜年

（大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028）

基于聚能发生器公路运输装备设计，为保证超长超宽超高超重运输设备装车方便及公路运输安全，运输车辆拟采用模块化前后组合式轴线平板拖车，运输装备设计为桥式凹板公路运输装备并搭载于平板拖车之上。对运输装备进行结构设计及关键传力部件进行受力分析，保证聚能发生器运输过程的平稳可靠。主要受力部件的关节轴承接触应力268.18 MPa、弯曲应力49.54 MPa；轴及轴套接触应力883.15 MPa，弯曲应力826.82 MPa。桥式凹板运输装备传力部件受力均小于材料许用应力，满足运输装备结构设计要求。

关节轴承；公路运输装备；桥式凹版；模块化设计

随着我国交通运输业的发展，重型载货汽车是现代交通运输中十分重要的载运工具之一。不规则的超重超宽超长机械装备的公路运输问题一直影响着我国某些重大工程项目施工进展，提高运营效益也是大件物流运输公司所追求的目标，要降低运输单位成本，轻量化的大型公路运输装备模块化结构设计及可靠性分析尤为重要。本文以某重点工程项目中关键仪器设备的聚能发生器公路运输为研究对象，模块化设计聚能发生器运输装备。

1 产品结构及运输方案设计

图1为聚能发生器结构示意图，其总体为圆形超长超宽超高超重结构，长宽高尺寸为13 m×3.8 m×4.1 m，总重413 t。

图1 聚能发生器结构

为使装卸车方便，根据聚能发生器结构特点和后续物流运输需要，设计一套可拆卸拼接的模块化桥式凹板公路运输装备。应用有限元法对桥式凹板公路运输装备及关键部件进行受力分析，对设计的合理性进行评估，保证运输装备安全可靠和运输过程的平稳。如图2所示为运输聚能发生器设计的公路运输装备整体结构示意图，主要由牵引车及加长动力臂、组合式轴线平板拖车和桥式凹板运输装备等构件模块组成，其中桥式凹板运输装备由承载底板梁、加长动力臂、液压升降机构、牵引梁、连接销轴及关节轴承等部件组成。

图2 聚能发生器公路运输装备整体结构

由于我国各地公路等级不同，加之桥涵隧道以及坡路弯道和松软路基等诸多复杂因素致使大件运输过程中风险增加。运输方案采用单车头牵引，利用动力鹅颈连接轴线平板拖车，桥式凹板运输装备通过动力鹅颈搭载于前后平板车上，凹部距地板面较低，适于装运外形高、重量大、支重面长度短的货物。使用凹底平车装运货物，降低了货物装载高度，从而降低超限高度和货物重心高度，增强大件运输的稳定性。

桥式凹板公路运输装备的设计及受力分析对解决上述问题具有实际意义，体积大、质量重的运输车辆结合了牵引车及挂车，这种组合模式解决了超大件设备运输的困难，可为类似大件的运输设计提供参考[1]。

2 桥式凹板整体结构设计

国家等级公路和高速公路行驶货运车辆限重单轴10 t[2]，根据运输货物重量，运输方案设计为加长动力臂及承载底板梁搭载于前后25轴线平板车，桥式凹板运输装备结构设计如图3所示。

桥式凹板结构的动力臂、底板、左右边梁和盖板等采用高强度结构钢Q690焊接而成。本文略去抗弯、抗扭强度以及位移和疲劳受力分析，将在后续研究中予以阐述。图4所示为动力臂与承载底板通过销轴与轴套连接结构示意图。

图3 桥式凹板运输装备结构

图4 加长动力臂颈与承载底板连接结构

动力臂端部通过自润滑关节轴承与牵引车转向盘的动力鹅颈连接，图5为自润滑关节轴承装配。自润滑关节轴承外圈材料OCr17Ni4Cu4Nb，内圈材料9Cr18。

图5 自润滑关节轴承（缺轴）

自润滑关节轴承内外圈模型如图6所示。

图6 自润滑关节轴承内外圈模型图

加长动力臂颈及承载底板由钢板焊接组成，所用材料物理属性见表1所示。

表1 桥式凹板运输装备各材料物理属性

名 称材 料弹性模量/GPa泊松比密度/ (kg·m-3) 钢板Q6902070.37.85 轴42CrMo2100.287.85 轴承内圈0Cr17Ni4Cu4Nb2060.37.8 轴承外圈9Cr182000.37.8

轴及轴套为动力臂与承载底板的传力部件，其结构模型如图7所示，轴材料为42CrMo；轴套材料为Q690。

传力轴部件除自重及均匀施加于承载底板上的货物载重还包括牵引力作用。运输工况下加长动力臂颈距关节轴承端10 m处设置可调力臂支撑杆，约束其竖直方向的移动自由度，为防止动力臂塑性变形提供有力保障。

图7 销轴与轴套连接结构图

3 关键部件接触分析

聚能发生器重413 t，根据文献[3],设定动载系数为1.345 6，取=1.345 6×413=555.73 t作为运输当量载荷，经计算承载底板梁承受4 900 MPa，载荷方向向下。通过Hypermesh软件对桥式凹板运输装备进行网格划分，定义材料属性、边界条件并通过Ansys软件进行有限元分析。底板梁整体采用壳单元Shell 181模拟，有限元模型单元数1 075 956，节点数971 458。关节轴承内外圈发生相对滑动，约束内圈X,Y,Z方向移动自由度；传力轴部件仅产生沿Z方向的位移和绕Y方向转动，因此约束传力轴部件X、Y方向移动和X、Z方向转动。传力轴与轴套间隙配合，加载后轴与轴套发生转动摩擦，对关节轴承及传力轴和轴套网格模型做面－面接触设置，如图8所示为传力轴与轴套配合整体网格模型；图9为接触面网格模型。

图8 传力轴与轴套网格模型

图9 传力轴接触面网格模型

单元信息及材料属性如表2所示。轴的主要破坏形式为表面压溃磨损及弯曲和断裂，所以传力轴的强度计算主要对其剪切受力和挤压磨损而展开进行[4]。

表2 传力轴与轴套配合网格信息表

零件名称单元类型单元数材料属性 传力轴Sollid18524480弹性模量207 GPa，泊松比0.28密度7.85 kg/m3，摩擦系数0.15 轴套Sollid18527739

关节轴承内、外圈为曲面接触，其接触应力直接影响轴承接触疲劳和磨损，任何承载方式的关节轴承接触应力均处于接触面中心，但内圈应力分布略有不同，轴向中间位置受径向压应力作用。当载荷施加于关节轴承接触面时，承载区域各位置受力不同，假设接触面为刚性接触零间隙，分析轴承径向压应力，可找出最大应力所在位置[5-8]。

图10为自润滑关节轴承内外圈配合模型，其网格信息如表3所示。

图10 自润滑关节轴承内外圈配合模型

表3 关节轴承内外圈配合信息表

零件名称单元类型单元数材料属性 内圈Sollid18525752弹性模量206 GPa，泊松比0.3密度7.8 kg/m3，摩擦系数0.15 外圈Sollid18526973

3.1 传力轴与轴套接触分析

对传力轴及轴套接触分析，对底板梁升降过程及物料运输的可靠性和平稳性尤为重要。货物自承载底板传力至轴套，与轴接触。对整体进行接触分析，图11为轴与轴套接触区域等效应力与合位移云图。轴端最大等效应力883.15 MPa小于材料许用应力。轴与轴套最大弯曲形变为0.87 mm。

图11 轴与轴套接触区域等效应力与合位移云图

图12为传力轴接触等效应力与剪切应力云图。最大等效应力826.82 MPa，小于材料许用应力，所受最大应力发生在传力轴边缘处，可做倒圆处理以减小边界应力集中。轴端最大弯曲形变为0.83 mm。

图12 销轴接触等效应力与形变位移云图

轴套与销轴均为面接触，等效应力最大处均为轴套边缘，如图13所示，最大等效应力分别为308.745、883.159、480.763 MPa。

图13 轴套最大等效应力图

3.2 关节轴承接触分析

关节轴承外圈固定于轴套内，内圈在刚性外圈环支撑下，最大等效应力出现在内外圈接触中间位置，其应力逐渐向两端收敛，关节轴承整体接触分析等效应力与位移云图如图14所示。

图14 自润滑关节轴承外圈等效应力与位移云图

分析结果表明关节轴承内外圈最大等效应力为780 MPa，位于关节轴承外圈的轴承套与支架焊接处。合位移0.112 1 mm符合刚度要求。

图15分别为自润滑关节轴承内圈等效应力及位移云图，内圈等效应力268.188 MPa、弯曲变形0.043 mm。所受应力满足材料许用应力极限值要求。关节轴承内圈接触区域最大接触应力268.188 MPa，位置在接触区域上端，接触应力小于材料许用应力。

图15 自润滑关节轴承内圈等效应力及位移图

图16自润滑关节轴承外圈接触应力及位移云图，轴承底端最大等效应力780.888 MPa，最大位移为0.112 mm发生在外圈上部。最大等效应力低于材料许用应力。最大接触应力268.188 MPa，接触应力小于材料许用应力。其与轴承套与支架焊接处产生边界应力780.888 MPa，可做结构加强处理，本文不作赘述。

图16 关节轴承外圈等效应力及位移云图

4 结束语

本文针对某聚能发生器的桥式凹板公路运输装备的结构设计，通过有限元分析软件对运输装备自润滑关节轴承及承载底板与加长动力臂连接的轴与轴套进行受力分析。主要受力部件的关节轴承接触应力268.18 MPa、弯曲应力49.54 MPa、合位移0.112 1 mm；轴及轴套接触应力883.15 MPa，弯曲应力826.82 MPa、弯曲形变0.87 mm。桥式凹板运输装备传力部件受力小于材料许用应力值，满足运输装备结构设计要求，分析结果为桥式凹板运输装备设计提供可靠数据保证。

[1] 陈林. 大件运输车辆坡道运行安全技术措施[J]. 中国高新科技, 2020(19): 76-77.

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[3] GB/T3811—2008. 起重机设计规范[S]．北京: 中国标准出版社, 2008.

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[5] 汪永刚, 牛荣军, 袁春明, 等. 支承方式对自润滑向心关节轴承承载能力的影响[J]. 轴承, 2020(3): 5-9.

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[7] 王亚军, 王妍, 朱高耸. 大件物流运输方案关键环节的探析[J]. 中国物流与采购, 2020 (24): 54-55.

[8] 亓祥宇, 余健, 白绘杉. 基于大件运输的车辆选择及荷载标准研究[J]. 公路, 2020, 65(8): 126-132.

Structural Design and Force Analysis of Bridge Gravure Road Transport Equipment

HE Wei-dong, KANG Ze-yu, YU Xi-nian

（College of Mechanical Engineering，Dalian JiaoTong University, Dalian 116028, China）

This subject is the design of road transportation equipment of polygenerator for a key engineering project. In order to ensure the convenient loading of the ultra-long, ultra-wide, ultra-high and overweight transportation equipment and the safety of road transportation, the transportation vehicle is proposed to use a modular front and rear combined axis flatbed trailer, and the transportation equipment is designed as bridge gravure road transportation equipment and mounted on the flatbed trailer. The structural design of the transport equipment and the force analysis of the key force transmitting components ensure the smooth and reliable transport of the polygenerator. The contact stress of the main stress-bearing parts is 268.18 MPa and the bending stress is 49.54 MPa; the contact stress of the shaft and bushings is 883. 15 MPa and the bending stress is 826.82 MPa. The stresses on the transmission parts of the bridge gravure transport equipment are all less than the allowable stress of the material and meet the structural design requirements of the transport.

joint bearing; road transport equipment; bridge gravure; modular design

10.15916/j.issn1674-3261.2022.03.004

U270.38

A

1674-3261(2022)03-0156-04

2021-05-13

何卫东(1967-)，男，辽宁朝阳人，教授，博士。

康泽宇(1997-)，男，辽宁大连人，硕士生。

责任编辑：陈 明