自卸汽车车箱土压力分布特性.doc

自卸汽车车箱土压力分布特性 刘大维 1，王 锋 1，朱龙龙 1，夏 焜 2，程晓东 2 （1. 青岛大学机电工程学院，青岛 266071； 2. 重汽集团专用汽车公司，青岛 266031） 摘 要：为研究自卸汽车车箱土压力的分布特性，基于库仑理论的平面滑裂面假设，综合考虑土料的内聚力和内摩擦角、 土料与车箱板面的摩擦力和粘附力、路面坡度等复杂情况，采用薄层单元法，导出了作用于车箱各板的主动土压力计算 公式。针对车箱装载砂土和黏土，研究了作用于车箱各板的土压力分布特性。结果表明，车箱后板和侧板土压力均为非 线性变化，车箱底板靠近前板和后板两端的土压力为线性变化，中部的土压力大小不变；车辆行驶在 30%坡度路面时， 车箱后板和底板的土压力均大于行驶在无坡度路面的土压力，而侧板土压力变化不大；车箱后板土压力数值明显大于按 经典朗肯理论计算的土压力数值，干粗砂、干细砂、湿粗砂、湿细砂分别增大 255%、174%、310%、255%，湿黏土、中 等黏土分别增大 11%、107%。导出的车箱各板的主动土压力计算公式，为自卸汽车车箱结构设计与性能分析提供了参考。 关键词：车辆，静力分析，压力，自卸汽车，车箱，主动土压力，土压力分布 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.08.023 中图分类号：U463.84 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2011)-08-0138-07 刘大维，王 锋，朱龙龙，等. 自卸汽车车箱土压力分布特性[J]. 农业工程学报，2011，27(8)：138－144. Liu Dawei, Wang Feng, Zhu Longlong, et al. Distribution features of soil pressure on dump truck cargo body[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(8): 138－144. (in Chinese with English abstract) 粘附力、路面坡度等复杂情况，采用薄层单元法，导出 作用于车箱各板的主动土压力计算公式，为自卸汽车车 箱结构设计与性能分析提供参考依据。 1 车箱土压力计算公式推导 1.1 车箱后板和前板的土压力 如图 1 所示，假设自卸汽车车箱装满土料行驶在具有α 坡度角的路面上，车箱内土料处于主动极限状态，若在滑 动楔体 ACE 内深度 h 处取一薄层土料单元体 FGNM，则由 作用于单元体上水平方向和铅垂方向力的平衡条件得 0 引 言 近年来，随着国家节能减排政策法规的实施，汽车 轻量化研究不断深入[1-3]。自卸汽车由底盘和上装两部分 组成，其中上装部分占到汽车整备质量的 40%左右，车 箱占整个上装质量的 75%以上。因此，车箱的轻量化研 究对自卸车轻量化起着举足轻重的作用。车箱内主动土 压力的大小是车箱结构设计的主要依据，目前，由于缺 乏车箱土压力计算方法，只凭经验或按经典的朗肯理论 将车箱简化为光滑挡土墙计算车箱土压力[4-6]，使车箱在 使用中往往出现后板开合机构刚度不足，造成车箱后板 关闭不严，在运输过程中发生洒漏现象。自卸汽车车箱 装载的土料类型较复杂，既有无黏性的砂土，又有黏性 土，而且行驶工况复杂。车箱装载土料的条件和使用工 况很难与经典的朗肯理论适用条件相适应[7]，而作为挡土 墙主动土压力计算的库仑理论解也只适用于墙后填土为 无黏性砂土的情况。采用二者计算，均使计算结果与实 际值产生偏差，甚至差别很大。近年来，许多学者对经 典的朗肯理论和库仑理论进行改进或探索其他计算方法 [8-12]，均使主动土压力的计算精度较经典朗肯和库仑理论 有较大提高，更为接近实测值。本文在挡土墙主动土压 力相关研究的基础上，针对自卸汽车车箱装载的土料和 使用条件，基于库仑理论的平面滑裂面假设，综合考虑 土料的内聚力和内摩擦角、土料与车箱板面的摩擦力和 [R1 cos(α + δ ) ? cws sin α ]FM ? [R2 cos(? + ε ) + c sin ε ]GN = 0 （1） 式中，R1 为车箱后板作用力，kPa；R2 为滑移面作用力， kPa；c 为土料内聚力，kPa；cws 为土料与车箱后板黏附 力，kPa；α为坡度角；δ 为土料与车箱后板的摩擦角；ε 为土料滑移面与铅垂面的夹角；φ 为土料内摩擦角。 [R1 sin(α + δ ) + cws cosα ]FM + ( p + dp )MN + [R2 sin(ε + ? ) + c cosε ]GN ? pFG ? dw = 0 式中，p 为顶面铅垂力 kPa。 由对单元体 GN 中点的力矩平衡条件得 （2） FM ? FG + MN ? [ 1 sin