项目名称：广西科技重大专项项目（桂科AA22068065）

0 引言

铰接座是连接装载机前、后车架的重要部件，在承受转向时液压缸的推拉作用力的同时，承受铲装作业时后轮离地造成的弯矩作用力[1]。鉴于传统静力学分析方法对铰接座的不同角度单独进行重复加载分析耗时较长，本文以某型装载机前、后车架的铰接座为研究对象，采用HyperMesh的OptiStruct分析方法建立瞬态仿真模型，研究在单位载荷加载过程中，通过Dload（系统负载状态）和Tload（单位分布载荷）的设置和引用，以期达到快速评估铰接座结构应力的目的。

1装载机铰接机构

1.1 铰接机构组成

装载机的铰接机构主要由前车架、后车架、铰接座和液压缸组成[2]。铰接座是连接装载机前、后车架的重要部件，其结构通常分为上下铰接式和独立铰接式两类，铰接转向销轴则分为两侧布置和单侧布置两种。铰接座与后车架通过衬套配合实现转动接触，铰接座与前车架通过大轴承和销轴连接，液压缸两端通过销轴分别连接到前车架和铰接座的相应点位。铰接机构组成如图1所示。

1.2铰接机构受力状况

铰接机构的功用如图2所示。装载机在转弯时，通过液压缸伸缩产生的推拉作用，使得前车架向Y轴的正负轴方向分别偏转，实现整车的左、右转向[3]。由于液压缸的两端分别固定在前车架和铰接座的相应点位上，即三角形OAB是作用力的简化模型，边OA和OB长度不

图1铰接机构组成

变，液压缸AB段在伸缩过程中，边OB与AB随着转向过程位置的变化，与X轴的角度也会发生变化，经过大轴承销轴和液压缸销轴径向分力的大小和角度也就发生了变化。

图2铰接机构的功用

2建立铰接机构有限元模型

将铰接座、衬套、轴承外圈和轴承销轴等零部件的几何模型，导入到HyperMesh高性能有限元前处理软件后，进行网格划分。其中铰接座是分析对象，需要进行局部网格细化，以避免应力梯度过大带来较大的误差。在有限元模型搭建过程中，需要抓取衬套外表面单元作为其与后车架约束的施加点，大轴承销轴位置0点和液压缸销轴A点抓取几何中点作为单位载荷施加位置，其他位置设置接触对。分析类型仅需要设置一个瞬态分析，在瞬态分析步中引用载荷和约束。

3铰接座载荷施加与瞬态分析

3.1铰接座载荷分解

3.1.1铰接座转向历程及位置

本文载荷分析对象是铰接座。随着装载机左、右转向，铰接座对大轴承销轴和液压缸销轴的受力和方向在全局坐标系中均会发生变化，通过多体仿真提取不同转向点的受力，分解整理成大轴承销轴和液压缸销轴作用点的全局方向受力历程。多体仿真计算不在本文中赘述。

本文重点提取摆正位置、转向中间点位置和转向终点位置来表征铰接座的转向过程，将间断的工况位置点

近似合成一个瞬态过程来进行仿真描述。转向历程及位置如图3所示，历程步及位置如表1所示。表1中，stepl至stepl2的描述为：摆正位置－左转终点－回位摆正-右转终点-右转摆正的过程。

图3铰接座转向历程及位置

3.1.2销轴载荷分力历程值

销轴载荷分力历程值如图4所示。图4中，载荷值随着位置变化的折线分解到X、Y轴上。左转弯时，液压

缸为伸长推力；左转终点到右转终点时，液压缸缩短变为拉力；右转终点到摆正液压缸为伸长推力[3]。在装载机工作过程中，考虑到因铲斗中有物料下压导致后轮离地现象，对铰接座的衬套位置作用等效为施加绕Y轴的定值弯矩载荷。

图4销轴载荷分力历程值

3.2Tload和Dload载荷的施加

在大轴承销轴和液压缸销轴中心点施加单位载荷集，其中包括大轴承销轴 X 与Y方向、液压缸销轴 X 与Y方向、后轮绕Y轴离地弯矩等，共5个单位载荷集。运用Tload系统负载状态功能，在单位载荷激励上识别并引用载荷历程值，完成单个位置单个方向载荷的设置。

再将五个载荷集对应的T1oad按比例系数1合成一个Dload单位分布载荷，即完成单位载荷激励引用历程值加载的设置，最后将该Dload设置在瞬态分析步中。

3.3 瞬态分析

本文的仿真流程，选取离散的铰接座各个转角位置下的载荷，通过分解得到全局坐标下的分力，每个坐标下作成一个近似连续的历程来分析。将分析类型设置为瞬态法，基于此需要指定分析类型为Transient（瞬态）以及Tstep（用于定义瞬态分析的时间步的表格），其中Tstep需要根据历程步来设置，如表1中历程步一共为12个。Tstep需要包含其所有时刻，即设置为12个时间数，每步1s，这样才能将铰接座全部载荷历程按照时间序列进行分析。

4仿真结果

在铰接座的上述仿真建模文件基础上，生成并提交求解文件，在瞬态仿真分析步中完成各个历程步的连续计算，大幅度简化了计算工作。将完成计算生成的H3D结果导入到HyperView中查看。时间为0的状态是初始未受力状态，后续12个结果即对应表1的历程步的受载状态，所有历程步在一个瞬态分析步中根据时间关系完成分析。结果显示，铰接座的Mises等效应力均满足不超过屈服强度的要求。铰接座应力云图如图5所示。

图5铰接座应力云图

5结束语

本文采用仿真方法，针对装载机车架铰接座进行转向模拟计算，重点描述了使用Tload和Dload的合成，大幅度简化了计算载荷的施加流程，并且仅需通过修改历程值就可实现快速计算，为后续结构的快速优化及载荷的调整提供了初始模型。

参考文献

[1]邓增彪.装载机机架铰点轴承选型分析[J].山东工业技术，2017（11）：15.

[2]杨春用，门凯，庄昕，等.电动装载机铰接转向系统设计的创新与探索[J].建筑机械化，2024，45（5）：24-28.

[3]洪如，王慈，曾祥波，等.装载机铰接转向结构转向性能分析[J].机电工程技术，2022（4）：72-75.