路面加速加载设备转向系统研究 Research on Steering System for Pavement Accelerated Loading Equipment

贾倩JIA Qian 王刚WANG Gang 张鹏ZHANG Peng 管志光GUAN Zhi-guang 张吉卫ZHANG Ji-wei 杨福广YANG Fu-guang

摘要： 路面加速加载实验系统，能够在相对较短的时间里能够获取到实际行车载荷对路面的长期破坏效果，数据有效，可靠，能比较真实的模拟实际交通荷载对路面结构的破坏。本文对路面加速加载设备的转向系统进行设计，并用UG建立三维模型、对关键零部件进行了有限元分析。通过一系列的分析计算，本文设计的转向系统可以在路面加速加载设备上得到较好应用。

Abstract： The pavement accelerated loading experimental system can obtain the long-term damage effect of the actual traffic load on the pavement in a relatively short time. The data are effective and reliable， and can truly simulate the damage of the actual traffic load to the pavement structure. In this paper， the steering system of pavement acceleration loading equipment is designed， the three-dimensional model is established with UG， and the key parts are analyzed by finite element method. Through a series of analysis and calculation， the steering system designed in this paper can be better applied to the road acceleration loading equipment.

關键词： 路面加速加载实验系统;转向系统;有限元分析

Key words： pavement accelerated loading experimental system;steering system;finite element method strength analysis

中图分类号：U416.3                      文献标识码：A                   文章编号：1674-957X（2021）22-0040-02

1  路面加速加载设备总体结构

路面加速加载试验设备可以快速模拟车辆在不同道路上的实际运行状况，检测路面状态和试验参数，分析道路生命周期内的破坏机理。从而分析评估、验证和改进路面结构设计，改进路面工程模型，改进路面结构、路面材料和施工工艺，提高道路建设的针对性、科学性和有效性。

市场上现有的路面加速加载试验设备的加载总成主要采用往复式和循环式的碾压型式。往复式的加速加载轮组一个往复对路面的碾压只有一次，其结构复杂、效率较低。循环式的加速加载轮组主要是直线电机驱动的链板式悬架结构，其结构复杂、可靠性差、传动效率低、噪声大。

本设计的加载总成由链条、链轮、链轴节，加载轴，碾压轮，加载轮构成。加速加载轮组轴线通过链轴节与链条中心线垂直相交，6段链条在链轮的作用下带动链轴节和加载轴往循环旋转，加载轴再带动碾压轮回转，6个路面碾压轮依次在加载轨道和轮胎变形的作用下对路面进行碾压实验，更好地再现车辆实际运行时情况，可使结构简单、工作可靠、噪音降低，工作效率高。总体结构如图1所示。设备的动力源是大功率柴油发动机。

加速加载设备长距离运输依靠牵引车来实现，在工地短距离转场移动需要有转向系统。在设备做实验时转向系统车轮是不触碰到地面的，该设备的转向系统是可以升降的，这必须用到液压机构。

考虑到路面加速加载设备的特殊性和大型性，所以本文采用的是电控液压助力转向系统。本文设计转向系统在路面加速加载设备的局部放大图，如图2所示。

加速加载设备在远距离运输过程中，前驱动及转向总成是不接触到地面的。在试验场地牵引车会与加速加载设备系统分离，短距离转向移动时，系统中的前支腿液压缸伸长，转向系统下移动直至转向轮胎与地面接触。

当前支腿液压缸的活塞行程达到最大值时，转向系统的连接杆也会伴随着前支腿液压缸的伸长而转动，连接板在这个过程中是处于固定的状态。最后转系系统的轮胎与地面接触。

2  转向系统的受力分析

本文设计的加载设备装向系统是由多个零件组成的，考虑到零件的受力分析和应力载荷，所以运用UG对几个关键零件进行有限元进行受力分析。进行有限元分析之前，需要知道加载设备转向系统的受力情况，进而分析单个零件的受力情况。设备的参数如表1。

运用UG进行有限元分析：

加载设备转向系统的材料是运用的是Q235。对连接毂进行有限元分析。因为前轴的连接毂有两个，所以给连接毂所施加的力为150000N，连接毂在总成的位置如图3。

连接毂的受力分析如图4、图5所示。

结论：由图4、图5分析的结果得知，连接毂的应力分析是27.95 N/mm2（MPa）远远小于Q235材料的许用应力，故连接毂的设计合理。

对连接杆进行有限元分析，连接杆的材料是45号钢。对固定在连接板的一端赋予固定平移约束的约束，另外一端添加的力为75000N。连接板应力、应变分析如图6、图7所示。

结论：由图6、图7分析结果得知，连接杆的应力分析结果是517.77N/mm2（MPa），小于45材料的许用应力，故设计合理。

对转向横梁进行有限元分析，选择Q235对应Steel-Rolled材料。施加的力为300000N。转向横梁的有限元分析如图8所示。

结论：由图8分析得知，转向横梁总成的应力是152.84 N/mm2（MPa），符合Q235的许用应力的要求，故转向横梁总成的设计合理。

3  结语

本文运用到功能强大的UG软件来建立三维模型零件、装配系统三维总成和进行有限元分析零件的受力。通过整个设备的重量，计算出转向系统所承受的作用力，从而对转向系统关键部件连接毂、转向连接杆、转向横梁等进行了应力和应变分析，通过有限元分析得出转向系统关键部件是可以达到整个转向系统的设计要求。

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