矿用自卸车链式开合机构轴销分析

徐伟杰 刘鑫鑫

中国重汽集团青岛重工有限公司 山东青岛 266111

矿用自卸车链式开合机构轴销分析

徐伟杰 刘鑫鑫

中国重汽集团青岛重工有限公司 山东青岛 266111

针对某些矿用自卸车开合机构挂钩处销轴时有断裂的情况，以直径为18 mm、材料为45#钢的销轴为研究对象，对开合机构销轴相关件进行了受力分析，提出了采用40Cr材料解决销轴断裂问题的改进方案，经市场验证没有发生过断裂情况，为今后类似问题的解决提供了参考。

开合机构 销轴 疲劳分析 有限元

1 前言

近年来，随着我国大型露天矿、水利工程的发展，吨位高、消耗低、技术含量高的非公路自卸车的需求有了较大提高。由于此类车辆卸货频繁、承载重，其锁紧后门的开合机构挂钩处销轴时有断裂的情况发生，为解决此问题，本文以直径为18 mm、材料为45#钢的销轴为研究对象，对开合机构销轴相关件进行受力分析，最终得出解决销轴断裂的方案。

2 开合机构的结构及原理

目前国内矿用自卸车以链条式开合机构为主，卸货时，自卸车货箱通过举升缸的作用后倾，后门锁紧钩与链条下固定点距离减小，锁紧链条松弛，后门锁紧钩不再锁紧后门，锁紧钩在后门重力作用下推开，从而实现卸货。卸货完毕后，货箱通过重力作用落下，后门锁紧钩在链条的拉力作用下将后门压紧并关闭。矿用自卸车示意如图1所示，开合机构示意如图2所示。

3 轴销及链条强度计算

3.1 大于安息角部分货物受力

以矿山自卸车经常拉的货物铁矿为例，铁矿的密度为1.8～2.0 t/m3，取中间值1.9 t/m3，铁矿的安息角为40°，货箱内尺寸长×宽×高为5.8 m×3.1 m×1.7 m。铁矿堆放大于安息角的部分如图3阴影部分所示，该部分铁矿在没有后门阻挡时会产生下滑的趋势，故计算该阴影部分的受力即可得出后门所受的力。

计算可得，G阴影=99 403 N。

阴影部分垂直面的受力分析如图4所示，根据受力分析可知：F后门= tan40º×G阴影=83 409 N。

3.2 后门受力分析

因为后门铰链销是后门的旋转固定点，可以看作力矩的中心，阴影部分货物对后门的力F后门是水平向后且受力点可视为在后门的质心位置，开合机构锁紧钩在后门的最下端，悬挂后门的铰链臂高度尺寸为固定不变的数值。后门质量以1 t（G后门=1 000 kg）计算。由于矿用车的使用工矿较为恶劣，考虑到行车过程中颠簸路况引起货物对后门的瞬间冲击及刹车过程的货物冲击等因素影响，后门受力状态应该在该值基础上放大，安全系数取1.5。

因此由图5可知，S1和S2为分析实例的已知尺寸：

求得F钩=69 333 N。

3.3 挂钩受力分析

由于后门采用两道后门锁紧钩，且链条安装方向对链条受力影响较大，货箱后悬越大链条受力越小，由于宽体矿用车货箱后悬较小且变化不大，锁紧钩的受力如图6所示，由图可知：

求得 F链= 117.8 kN。

因此单根链条承受的力为117.8 kN，宽体矿用自卸车选用直径为16 mm的起重用短环链，该链条最小破断力为320 kN[1]，完全可以满足使用要求。

3.4 销轴计算

锁紧钩处连接链条的销轴选用直径为18 mm，材料为45#钢，轴销的受力如图7所示。根据受力情况，轴销中段相对于左右两段，沿m—m和n—n两个面向下错动，所以有两个剪切面，称为双剪切[2]。由平衡方程可知：

轴销横截面上的切应力τ为

45#钢的许用应力为360 MPa ，考虑材料的不均匀性、内部可能存在的缺陷等因素，安全系数取1.5，则销轴收缩应力τ1=τ ×1.5=347.55 MPa，接近45#钢的许用应力。

通过以上计算可知，Φ18、45#钢材料的销轴不能满足该矿用自卸车的使用要求，故销轴时有断裂发生。若要提高该销轴强度，一方面可通过增加销轴直径，另一方面也可选用更为优质的材料。但是提高销轴的直径需要调整与之配合零件的尺寸，不利于原有库存件的消化，而且增加了产品的种类，不利于生产的展开。因此，考虑选用优质材料，既可以保证零件的通用性，又不会对生产造成较大影响。经查表可知，40Cr调制后的许用应力为550～800 MPa[1]，远远高于45#钢的360 MPa，可以满足受力要求。下面对40Cr材料的销轴进行有限元分析验证。

4 40Cr有限元分析验证

销轴的材料为40Cr，先采用三维软件Pro/E建模，然后导入Ansys workbench中进行静强度分析。

4.1 模型简化

模型虽较为简单，但是为了便于后续的有限元分析，对销轴结构进行简化，去掉对应力影响不大的圆角和倒角，简化后的模型如图8所示。

4.2 约束处理

按照实际工作情况对模型施加约束。销轴与链条连接处以及销轴与支座连接处分别添加x轴、y轴和z轴3个方向的平移约束以及绕y轴和绕z轴的转动约束，即在销轴表面施加圆柱面约束。

4.3 施加载荷

按照实际载荷的方向进行加载，考虑矿用自卸车在实际工作状态下路况较差，加载的力也应考虑路面不平度的影响。

施加的载荷有两个，一个是锁紧钩处连接链条对销轴的作用力F链，另一个是支座对销轴的作用力FS，轴销的受力如图8所示。在自卸车工作时，由于使用工况较为恶劣。为了更好地模拟锁紧钩处销轴的实际工作状态（即路面不平度的影响），可将销轴的受力看作一个随计算值上下波动10%的激励，具体加载的力仍以计算值为标准。

4.4 结果及分析

考虑销轴的使用工况和受力状态，利用Ansys workbench进行有限元分析，得到有限元计算结果如图9所示。

从图9可以看出，销轴的最大应力为274.82 MPa，远小于40Cr的屈服强度。可见，40Cr能够满足该矿用自卸车的使用要求。

5 结语

通过以上分析，验证了40Cr材料的销轴能够满足强度要求，选用材料的改进方案更有利于解决销轴断裂问题。改进后的轴销已经过市场验证，没有发生过断裂情况，此方案值得广大同行在实际生产中参考借鉴。

[1] 机械设计手册编委会.机械设计手册[M].第二卷.第3版.北京:机械工业出版社,2004.

Structural Analysis of Chain Open-close Mechanism Pin Shaft of Big Mining Dumpers

XU Wei-jie et al

Regarding to the crack of open-close mechanism pin shaft in some mining dumpers, basing on the study of 18 mm、45# steel pin shaft, the pressure analysis was carried on and the improvement solution that using 40Cr material solving the crack problem was put forward, providing reference for the upcoming problems related to the same case.

open-close mechanism; pin shaft; fatigue analysis; finite element

U469.4.03

A

1004-0226(2015)05-0106-03

徐伟杰，男，1982年生，工程师，现从专用汽车产品设计开发工作。

2014-12-05