某重型特种车支腿结构的轻量化设计

岳莹莹，王合民，刘学斌

泰安航天特种车有限公司，山东泰安 271000

0 引言

起重机、高空作业车、举高消防车等设备通常设置有支腿，用于保证其在工作中具有足够的安全性、稳定性，以提高整车抗倾翻的安全系数。支腿通常位于设备底盘的底部两侧，分为水平支腿和垂直支腿[1-2]。

某重型特种车采用3组支腿，主要用于调平和承受设备的全部载荷。作业时，中、后支腿伸展，各个支腿的垂直油缸将整个设备升起，轮胎脱离地面，整个设备完全由支腿支撑且要保持设备底盘水平，方可提高设备的抗倾覆能力。

1 车架调平腿状态简介

某重型特种车车架预留3组调平撑腿支架和调平撑腿安装接口。在支架端头安装调平腿，分别位于车架前部、中部和尾部。本文仅以前调平支腿为例进行轻量化分析，以下简称调平腿。

调平腿支架主体材料为BS700MCK2钢板，油缸套材料为ZG270。由与车架连接板、盖板、前后立板、前后支座加强立板、加强板、支座、支座支撑板、加强板、封板、加强筋、油缸套组成，并预留与抗倾覆腿安装接口。

2 计算仿真分析

在调平腿支架端头安装调平腿，调平腿跨距为2 880 mm。调平腿支架与车架纵梁通过螺栓紧固连接约束。通过Pro-E 三维软件建模，建立调平腿结构三维模型，其质量为478 kg，如图1所示。

图1 调平腿模型

调平腿工作过程中支撑腿受到外部载荷分析，总共承受546 kN的垂直载荷和85 kN的水平载荷。对支撑腿与车架连接模型进行ANSYS Workbench仿真计算分析。仿真加载示意如图2所示。

图2 仿真加载示意

调平腿最大受力工况应力云图如图3所示。由图可以看出，现有结构可以很好地满足支撑腿工作状态的要求。同时由于车辆整备质量超出指标要求，需要进行轻量化设计。由图3还可以看出，调平腿最大应力为121.42 MPa，BS700MCK2钢板屈服强度为685 MPa，计算安全系数为5.6，远大于许用安全系数1.3。调平腿结构强度过剩，可以在保证强度的条件下进行轻量化设计[3-4]。

图3 调平腿最大受力工况应力云图

3 轻量化措施及验证

3.1 轻量化措施

对调平腿进行结构轻量化改进，在保证安装接口、设备接口不变的情况下，对调平腿结构进行整体优化。改进后调平腿材料不变，主要改进措施如下：

(1)减小支腿截面尺寸。支腿立板高度由889 mm改为473 mm，油缸套高度由350 mm改为230 mm。

(2)优化支腿形状。油缸套内壁开直径为φ225 mm、深度为195 mm的减重孔；外侧油缸套倒150°×90°的斜角；内侧油缸套壁上开160 mm×104 mm的减重孔。

(3)优化支腿材料。支腿立板、封板、支腿与车架连接板采用高强度材料BS700MCK2，支腿立板、封板厚度由8 mm改为6 mm；支腿与车架连接板厚度由14 mm改为10 mm。

优化后调平腿模型如图4所示。优化后的调平腿质量为291.5 kg，减轻了186.5 kg。

图4 优化后调平腿模型

3.2 优化分析

经三维模型设计并进行ANSYS Workbench仿真分析，可以看出调平腿最大应力为241.79 MPa，小于BS700MCK2钢板屈服强度685 MPa；计算安全系数为2.83，大于BS700MCK2钢板许用安全系数1.3。满足设计使用要求。优化后调平腿最大受力工况应力云图如图5所示。该优化改进对抗倾覆工况下调平腿的载荷分布和车架的变形有影响。

图5 优化后调平腿最大受力工况应力云图

4 抗倾覆试验

为验证ANSYSworkbench仿真软件计算结果的准确性及轻量化改进对抗倾覆工况下调平腿的载荷分布和车架变形的影响。对改进前、后的调平腿进行抗倾覆工况试验。通过车架有限元分析，定位应力测试点，依据试验要求进行测试验证，对试验发现的焊接缺陷立即整改，确保产品符合设计要求。测试点的选取原则有：选择表面平整，形状规则的区域，便于打磨和贴片；不能影响到正常的设备运转；保证整个试验设备运转过程不会对试验设备造成损伤；有对称结构的选点也要对称，这样可以提高测量结果的客观性；避开焊缝、连接、孔轴等在有限元模型中简化的区域；在器材和时间等条件允许的情况下，尽量增加测试点的数量，可以增加对比的准确性[5-6]。应变片测试点位置如图6所示。

调平腿展开工作时，在调平腿接口处安装工装油缸，在油缸下部位置安装压力传感器，并使用称重仪记录支腿完全落在称重仪上平面的承重值。对车架加载并测量支腿垂向载荷和应力，之后对支腿优化前后抗倾覆试验结果和有限元分析结果进行对比，详见表1。

表1 支腿优化前后抗倾覆试验结果与有限元分析结果对比

经抗倾覆试验结果对比分析，测试结果与ANSYS Workbench计算结果一致，说明ANSYS Workbench有限元计算结果数据可靠，可作为结构轻量化计算依据。

5 结束语

本文以某重型特种车调平腿设计超重、载荷过饱和作为切入点，对调平腿结构进行仿真计算，借助ANSYS Workbench软件进行仿真计算分析，对调平腿结构进行轻量化改进。经过结构和材料优化，调平腿质量由478.0 kg减少至291.5 kg，减轻比例达到了39%，满足设计要求。同时通过倾覆试验验证了优化后调平腿的有限元模型具有较高的准确度，此次的优化设计达到了预先的优化效果，满足安全系数使用要求。轻量化后的调平腿结构满足设计使用要求，保证了车辆调平过程的使用安全，同时为其他类似结构轻量化设计提供了思路。