矿用自卸车驱动车桥的桥壳结构优化研究

摘要：在时代不断发展的情况下，矿业领域的进展也在逐渐加快，矿用自卸车作为关键运输工具之一，在作业期间，其性能要求也在逐步提升。驱动车桥的桥壳作为矿用自卸车的核心部件之一，设计和性能直接影响着整车的性能和使用寿命。本文探讨了目前矿用自卸车驱动车桥的桥壳结构存在的问题，并针对这些问题提出了相应的优化措施。通过对桥壳在重量、小型化设计和应力集中等方面存在的问题进行分析，提出了轻量化优化、小型化设计创新以及静弯曲应力优化的解决方案。进行优化后，能够贴合实际需求提高桥壳结构的性能、降低重量和制造成本，在提高矿用自卸车在作业期间的整体效率与灵活性的同时满足经济效益最大化以及安全作业的发展需求。

关键词：矿用自卸车；驱动车桥；桥壳结构

一、矿用自卸车驱动车桥的桥壳结构存在的问题

（一）重量与性能的矛盾

汽车轻量化是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整车质量。矿用自卸车驱动车桥的桥壳结构重量与性能的矛盾问题包括以下几点，第一，承载能力与重量的矛盾。桥壳结构需要能够承受车辆运行以及作业的重载，还需要在恶劣工况下承受冲击，导致车桥自卸车的动力性和燃油经济性受到影响。第二，抗疲劳性能的需求需要保证桥壳结构轻量化，否则容易导致自卸车的整体性能受到影响。第三，轻量化与材料成本的矛盾。轻质材料虽然能够在一定程度上降低桥壳结构的重量，但是采购成本相比于传统材料还是要高；在进行桥壳结构优化时，还需要投入大量的资金和技术成本，二者之间无法进行有效的平衡。

（二）小型化设计的局限性

矿用自卸车驱动车桥的桥壳结构小型化设计能够在一定程度上保证车桥整体质量降低、燃油经济性增强、车辆动力性能不断提升，但是依旧存在着部分局限性问题。第一，强度与刚度的平衡协调。小型化设计期间，桥壳结构的截面尺寸和壁厚会出现一定程度的下降，结构的强度和刚度也会间接受到影响。第二，小型化设计会导致应力集中的情况增加，需要着重考虑矿山的作业环境。当地环境恶劣，桥壳结构受到的冲击，不仅会缩短桥壳结构的寿命，还会导致安全事故发生概率持续提升。第三，制造工艺出现限制。小型化设计对精度的要求较高，需要在加工工艺、尺寸控制等方面进行不断的优化，容易导致成本提升。第四，小型化设计下的桥壳结构的维修和保养较为复杂，不仅无法给维修人员提供充足的操作空间，还容易导致维修工期延长。

（三）应力集中问题

矿用自卸车驱动车桥的桥壳结构能够保证车辆承重和传递动力，性能是否持久关乎于车辆行驶的安全稳定。在投入使用期间，考虑到桥壳结构的复杂性和工作环境较为恶劣，容易出现构件某些区域因为结构形状、尺寸或载荷条件的突变导致应力增大的情况。具体表现情况包括以下几点，第一，桥壳结构中的形状会发生突变，出现应力在对应区域集中的情况。第二，尺寸发生变化。桥壳结构在厚度、宽度等尺寸上的突变，像连接处的构件尺寸差异，导致应力集中的情况。第三，车辆行驶期间，桥壳结构会受到车辆弯曲、扭转、冲击施加的压力完成的作用点、大小和方向的作用，出现应力集中。出现应力集中后，桥壳结构的强度和使用寿命会受到影响，从而出现安全事故。

二、矿用自卸车驱动车桥的桥壳结构优化措施

（一）轻量化优化

矿用自卸车是年产能千万吨级以上露天矿山的主要物料运输设备，全年平均运行6000小时以上，其承载量大、运行环境恶劣、工况复杂。针对矿用自卸车驱动车桥的桥壳结构重量和性能的矛盾能够应用轻量化的优化方案进行解决，第一，应用铝合金等轻质材料取代传统材料期间，需要根据市场提供的所有轻质材料进行收集和统计，借助大数据技术对这些材料进行分析和比对。保证能够满足材料性能需求的情况下，选择性价比最合适的轻质材料，最大限度降低对成本的影响。第二，应用有限元分析来重新对桥壳结构进行优化设计，减少冗余的材料和结构，完成低效区域的优化和完善；将多种材料设计方法进行结合，从而保证结构的精确性。第三，对现有的制造工艺进行创新。为了确保矿业发展以及市场竞争力，需要结合当下实际情况应用先进的制造工艺和技术来确保桥壳结构的重量得到降低。比如，应用热压成型来降低材料浪费情况。第四，引入智能化技术完成设计。比如，根据桥壳结构以及后续使用的实际需求来对桥壳结构在不同工况下的性能表现进行仿真分析和预测；利用机器学习算法，对海量数据进行学习，保证对桥壳结构中潜在的安全隐患进行识别和解决；采用虚拟现实技术对桥壳结构的设计、制造、装配进行模拟，完成细节上的优化。

（二）小型化设计创新

小型化设计的创新优化方案包括以下几点，第一，应用碳纤维复合材料、钛合金等强度高、轻质的材料进行桥壳结构施工，能够保证桥壳的结构和刚度不断提升。在结构设计方面，对截面尺寸和壁厚以及强度刚度需求进行平衡，可以应用拓扑优化的方式来完成。第二，对小型化桥壳结构进行疲劳寿命预测技术，从应力集中区域进行局部设计强化，保证结构布局和连接方式的科学性和可行性。第三，根据实际设计需求，应用激光焊接、精密铸造等工艺，确保桥壳结构的精确度。为了满足构件尺寸方面的需求，在生产方面应用模块化设计，确保桥壳结构能够分模块完成单独制造和组装。一方面提升了构件的精度，另一方面能够提升生产效率，降低制造难度和成本投入。第四，应用可拆卸式设计来降低维修难度，确保检查口和维修通道设计的人性化，方便维修人员对小型化设计的桥壳结构进行维修检查。以方便维修人员进行检查和维修操作。第五，可根据实际使用工况更换车桥方案，例如将车桥方案从整体式车桥更换为断开式车桥，这种设计方案的更换可以有效改善旧方案中车桥桥壳结构在水平方向尺寸过大的问题。

（三）静弯曲应力优化

驱动桥壳是矿用自卸车底盘系统的核心基体，主要承受复杂环境下车辆行驶过程中的多种载荷，其结构稳定性直接影响到矿用自卸车的安全性和可靠性。针对矿用自卸车驱动车桥的桥壳结构应力集中问题，能够通过基于静弯曲应力的优化方案进行解决，能够改变桥壳结构的形状、尺寸和载荷分布，减弱应力集中程度。第一，对形状进行优化。采用有限元分析等方法，根据桥壳承载的载荷大小和分布，对桥壳截面进行形状优化，在不破坏桥壳结构完整的前提下，采用更平滑的圆角等方式来缓解应力集中现象。第二，对尺寸进行优化。结合实际情况进行材料厚度的增减，并对结构宽度做出调整。对于连接处紧固件容易出现的问题，在进行连接设计时，应用强度设计的方法，确保连接件与桥壳结构的相似性，降低应力集中的出现频率。第三，针对车辆行驶累积的应力集中，要改变载荷的作用点、大小和方向，确保载荷分布的均匀性。在对应力优化实际应用期间，需要根据实际需求来结合具体的优化方法完成验证，并记录每次优化过程，实现横向和纵向的分析，保证桥壳结构设计方案的科学性和可行性。

结论：简而言之，通过对矿用自卸车驱动车桥的桥壳结构进行优化设计的分析，明确能够有效提升桥壳的性能表现，降低其重量和制造成本。未来，在新材料、工艺、技术的持续性发展下，矿用自卸车的桥壳结构也会得到不断的优化，间接促进矿业行业的长远发展。

参考文献：

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[2]杨旭辉，张少健，谢和平，等. 基于实际载荷谱的矿用自卸车后桥壳疲劳寿命分析 [J]. 建设机械技术与管理， 2021， 34 （06）： 70-72.