半挂车牵引销有限元分析

半挂车牵引销有限元分析

张效波

梁山中集东岳车辆有限公司 山东省济宁市 272613

摘要：目前，经济建设迅速，牵引销是实现半挂车与牵引汽车之间重要的连接装置，不但承受垂直、横向、纵向等多种载荷的作用。同时还经受列车起步、加速、减速、制动等运行工况以及半挂车挂接时的冲击力并起着转向机构的作用，是半挂汽车上的重要部件。牵引销的强度和动态特性将直接影响半挂汽车的行驶安全性。

关键词：半挂车；牵引销；有限元分析

引言

目前，轻量化研究已是车辆制造企业的研发热点，随着车辆轻量化水平的不断提升，仍有零部件可以“以铝代钢”进一步降低车重。牵引组件是半挂车的主要结构部件，作用是传递向前或向后的水平拉力或力矩。国产半挂车牵引组件均为钢质件，重量达110kg以上，是除车架和悬挂座以外重量最大的组件。目前，尚无牵引组件轻量化研究的文献报道。本文针对某厂生产的半挂车用钢质牵引组件开展铝化应用探讨，对牵引组件的轻量化研究，具有一定的参考意义。

1《牵引车与半挂车之间机械连接互换性技术》内容简介

牵引销是半挂列车中连接牵引车和半挂车的关键零部件之一，在国家标准中有两种型号：50号牵引销和90牵引销。与这两种牵引销相匹配的牵引座也有50号和90号两种。牵引销装配在半挂车上，牵引座装配在牵引车上。每辆牵引车只能装配其中一种型号的牵引座，同样，半挂车也只能装配一种型号的牵引销。港口、物流园及半挂车生产企业等在运输或生产过程中，半挂车需要在不同的地点进行频繁调度，现场需要随时准备配有50号和90号两种型号牵引座的牵引车，来匹配不同型号牵引销的半挂车。目前市场上普遍存在的现状是牵引半挂车时需先确定半挂车的牵引销型号，然后再调度与之相匹配的牵引车，由于牵引座与牵引销的匹配存在唯一性，这样需要对牵引车进行频繁更换，并且在调车过程中也不可避免的会出现牵引车牵引座与半挂车牵引销匹配混乱的问题，工作效率也相应打了折扣。因此，牵引销的转换装置技术的诞生很好地解决了这个难题。

1.1适用范围

新的标准适用于GB4606规定的50号牵引销的半挂汽车列车，二轴或三轴牵引车可以使用相同的半挂车。

1.2互换性技术说明

内容提出了牵引车与半挂车机械连接的互换性和控制尺寸、牵引半挂车接合面的互换性要求。互换性尺寸的控制需要明确牵引车接合面离地高度、半挂车回转半径和鹅颈外形构成参数等要求。鹅颈外形的参数是针对同一辆半挂车而言的，一辆半挂车需要满足二轴或三轴条件下的参数值，如果半挂车不满足二轴牵引车或三轴牵引车的使用条件，那么上述参数的要求不需要完全满足。

1.3尺寸控制

半挂车和牵引车的各个纵向和侧向倾角需要进行控制。进而对牵引车与半挂车活动空间进行控制和约束。牵引车和半挂车部件在半挂汽车列车直线行驶不能相互接触，保持半挂车与牵引车的纵向倾角符合相关规定。控制半挂车侧向倾角，当半挂车侧向倾斜时，牵引车底盘与半挂车之间不能有接触。车辆处于铰接时，半挂车与牵引车的轮胎或挡泥板不能有接触。

2牵引总成的选用

牵引总成的作用有三点:1)联接。将牵引车外与挂车联接在一起或脱挂，并保证彼此必要的运动联系;2)牵引。将牵引车的牵引力传递给挂车，并承受行驶中的相互作用力;3)支撑。对半挂汽车列车而言，牵引装置还须承受半挂车的部分质量，并传递给牵引车。根据GB/T4606和GB/T4607的规定，最大总质量小于或等于50t的半挂车鞍座应该选择直径为50．8mm的50号牵引销;最大总质量大于或等于50t、小于或等于100t的半挂车鞍座应该选择直径为89mm的90号牵引销。牵引销采用国际标准，根据其结构安装形式建立50号A型、50号B型、90号A型、90号B型和50号焊接型牵引销5个子总成，根据半挂车最大总质量选用总成。A型连接方式是在半挂车的牵引板上焊接一块支承板，而牵引销上部的法兰便与支承板用螺钉连接起来;B型结构的连接方式是在半挂车的牵引板上焊接一个带锥孔的支承座，牵引销中部的锥体与其配合，并用螺母将它们固定，再用开口销将其锁牢。

3牵引销有限元模型的建立

3.1实体模型的建立

根据相关资料查询及某公司提供的50#、90#牵引销的基本参数，利用Solidworks软件进行三维实体建模，在建立其三维实体模型的时候考虑到其计算精度的影响和有限元模型的计算规模，可以对其进行相应的化简。这里选用90#牵引销作为研究对象。

3.2网格模型的建立

添加Solidworks软件中的Simulation软件，根据牵引销的结构特点进行模拟分析，各个部分赋予相应的参数数。首先对其进行网格划分，考虑到计算机的运算性能和运算结果的准确性；整体模型中网格参数选择7MM，牵引销根部内倒角面网格参数选择2MM比率选择1.2时（使云图中红色区域不小于两个网格），与其它划分情况相比较，此划分结果较为理想。

3.3有限元模型的建立

牵引销常用的材料40Cr、NiCr钢和NiCrMo钢等，一般采用热锻成型。半挂车总质量50T以上是90#销。选取欧曼BJ4141牵引车和扬天CXQ9137半挂车通过对牵引车动力学进行研究，建立牵引车动力学方程，分析牵引车的最大驱动力和行驶阻力，最后确定牵引车的最大挂钩牵引力45000N。

4铸件缺陷

按设计工艺进行生产试制，对样件的上部圆锥部位进行解剖验证，发现特殊形状明冒口效果很好，能够满足补缩需要，产品锥部无缩松缺陷，接近平面部位保温冒口部位切割后也未发现缩松缺陷，产品尺寸符合图纸要求。首检合格后，按既定工艺进行小批量生产。在小批量生产铸件后，个别牵引销产品出现了缺陷问题。将出现的质量问题进行统计如下。（1）有的牵引销在4个保温冒口根部粘砂严重，难以清除，切割时比较困难，容易造成切割凹陷，使产品缺肉。由于切割困难而造成的缺肉，需要进行焊修处理，人为增加了工作量，还影响产品质量。（2）有的牵引销在产品内腔上部的小圆锥部位粘砂严重，难以清理。个别产品因粘砂严重清理不干净，只能报废。（3）有的牵引销加工后，在圆锥部外圆周面上出现砂眼缺陷，该部位又是探伤部位。对于发现的缺陷，必须清除干净，进行焊修处理，再重新加工至符合图纸尺寸要求，然后再进行探伤检验，确认无缺陷无裂纹。加工后出现缺陷的产品处理过程费力费时，不仅影响产品质量，也影响生产进度。

结语

半挂列车，每天运营按600km、每天运行10h计算、每日毛利1000元。常规上，从50号牵引座更换成90号的，不算牵引座本身的费用，仅算更换工时费用和因更换占用的运输时间造成的损失，每次消耗约4个工时，合计200元，耽误运营毛利400元，而采用牵引销的转换装置，无需更换牵引座，仅需15min，一次就能节约费用580元，每年按更换100次计算，就能节省58000元，使社会资源利用更加充分，社会效益显著。铝合金材质为主的牵引组件的轻量化效果明显，经过铝化设计：原钢制牵引组件的理论重量115.4kg，铝化后的牵引组件的理论重量73.5kg，后者比前者减轻了42kg，减重率36%。通过有限元模拟校核：40t满载加速过坑工况下，铝化牵引板的最大应力153MPa，铝化销盘关键部位的最大应力148MPa，应力不超过许用应力，能够满足强度要求。

参考文献

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