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由于粉罐半挂车罐体呈“V”型或“W”型，综合考虑整车长度、轴荷分配、罐体离地高度等诸多因素，车架设计时前后下翼面高度差值较大，当遇到鞍座高度较低的牵引车时，大部分半挂车都无法实现与牵引车的合理匹配，因此很多粉罐半挂车都通过调节牵引装置H值（牵引板与车架下翼面的差值）来满足不同鞍座高度的牵引车， H值越大，车辆运输过程中牵引装置所承受的扭转力越大，越容易出现炸裂问题。为此，本文将结合牵引装置炸裂部位对此结构进行Pro/ENGINEER有限元分析，从而对可调式牵引装置进行优化设计。
一、前言
目前国内使用的粉罐半挂车90%以上为卧式结构，卧式结构的罐体前后一般都设有一定的角度（图1），主要是为了满足物料达到流化状态所需的角度要求。粉罐半挂车设计时为控制整车长度、轴荷分配比例及罐体离地高度等，再加上罐体本身前后设置有一定的角度，车架前后端下翼面高度差一般都比较大，当轮胎、板簧及吊耳等配件选定后，该挂车前部一般只能满足鞍座高度较高的牵引车，无法与鞍座较低的牵引车进行合理匹配。为了满足不同鞍高的牵引车，同时兼顾产品标准化、系列化设计，很多厂家通过使用可调式牵引装置调整H值（牵引板与车架下翼面的差值）来满足不同鞍座高度的牵引车，从而实现主挂的合理匹配。
可调式牵引装置主要由牵引板、牵引销、牵引销盖板、托盘横梁、托盘纵梁、调整块、内调整盒及导向板等组成，其中牵引销安装在牵引板的正中位置，在牵引销的上部横向扣焊有一道牵引销盖板，牵引销盖板的两端分别焊接在托盘纵梁上面，托盘纵梁采用板折件槽型样式，高度控制在180mm左右，纵梁上面不设减重孔及工艺孔。托盘纵梁两端分别焊接在托盘横梁上面，托盘纵梁与托盘横梁结构相似，高度控制在200mm左右，横梁两端割分别割有φ50的工艺孔。托盘横梁两端则焊接到内调整盒并扣焊在车架腹板上的固定盒上，内调整盒分别布置在车架下翼板与牵引板之间，用于固定牵引板和托盘横梁，增加抗扭强度。在下翼板与牵引板之间，还有一个焊接在腹板正下方的两块调整块，该调整块与调整盒作用相同且高度可以调整。从而实现调整牵引装置的H值，满足不同鞍座高度的牵引车，具体结构如图2所示。
二、可调式牵引装置受力分析
可调式牵引装置中的托盘横梁、托盘纵梁、调整块、内调整盒、导向板及扣焊在车架腹板上的固定盒等自制件均采用4mmT610L钢板，牵引板则采用10mmQ345钢板，对于T610L高强度钢，材料的屈服强度≥500MPa，抗拉强度为550～700MPa；Q345钢板，材料的屈服强度≥345MPa，抗拉强度490～675MPa。
粉罐半挂车在实际工作中，由于装载质量不同、行驶路况不同，所产生的牵引力、牵引板处支撑力及转弯所产生的向心力也不相同。以满载的43m3双仓粉罐半挂车为例，可调式牵引装置H值取150mm，运输介质为水泥，水泥的堆积密度按1t/m3计算，罐车载重量m1=43 000Kg，挂车自重m2=9500Kg，牵引装置处承载比例为32%，车辆行驶路况为一般水泥路，所有轮胎与地面的摩擦系数为η=0.012，车辆转弯时的转弯半径为r=17m，转弯时车速为v=15km/h。通常情况下车辆在行驶过程中会遇到紧急刹车、急速转弯或在凹凸不平道路行驶等特殊情况，因此对牵引装置施加力时按2倍受力进行施加。即沿行驶方向施加2倍的牵引力 F1=2*（ m1+m2）*g*η≈12350N；沿牵引板竖直向上方向施加2倍的支撑力F2=2*（m1+m2）* 0.32*g=329280N；沿与行驶方向呈直角的方向施加2倍的向心力 F3=2*（ m1+m2）* v/ r=214290N。
通过Pro/ENGINEER有限元分析我们可以得到可调式牵引装置的应力分布图（图3），当挂车向左侧转弯时，牵引装置中主要应力将分布在车体的右侧，其中牵引装置危险区主要分布在以下部位。
①牵引装置后面第一根“L型”横梁根部与腹板接触部位，应力值为：514.1MPa。
②托盘横梁上气割的工艺圆孔，尤其是圆孔的上部和下部，其中前部托盘横梁圆孔上部应力为：489.5MPa，圆孔下部应力为：549.5MPa；后部托盘横梁圆孔上部应力为：511.1MPa，圆孔下部应力为：596.8MPa。
③前封头处割豁横梁，卡在上翼板处的豁口部位，应力值为：592.4MPa。
④托盘横梁与扣焊在腹板上的固定盒接触部位，应力值为：247.2MPa。
⑤扣焊在腹板上的固定盒上部与腹板接触部位，应力值为：1444MPa/1657MPa。
⑥右侧扣焊在腹板上的固定盒上部腹板与罐体焊接部位，应力值为：546.1MPa。
Pro/ENGINEER有限元分析结果表明：对牵引装置施加2倍的受力时，上述6个区域承受的应力值均大于材料的屈服强度，因此上述危险区域在实际行驶过程中易出现撕裂、断裂等故障。
三、可调式牵引装置故障分析及结构优化
1.牵引装置后部“L型”横梁
通过对可调式牵引装置进行了两年左右的跟踪回访，我们发现，在路况较差的路段行驶的粉罐半挂车，其可调式牵引装置后部第一根“L型”横梁根部极易发生腹板炸裂，主要原因在于：牵引装置处腹板本身就很高，再加上可调式牵引装置调节的H值，造成牵引板上方的腹板过高，而托盘横梁自身较低，使得牵引装置处腹板的抗扭性能较差，而牵引装置后部的第一根“L型”横梁没有紧贴下翼板布置，造成腹板扭动变形时将横梁根部腹板撕裂。为此，优化设计时，将此横梁紧贴下翼板布置（图4）。
2.托盘横梁
可调式牵引装置中托盘横梁上气割的工艺圆孔，容易造成横梁整体断裂。分析主要原因在于：牵引装置可简化成两侧调整块和调整盒固定在下翼板的简支梁，牵引板上需承受挂车32%垂直向上的支撑力，因此牵引装置将产生向上的弯曲变形，托盘横梁两侧圆孔部位在弯矩作用下造成横梁沿圆孔整体断裂。为此，优化设计时，将此横梁取消工艺圆孔，并将板厚加厚至6mm（图5）。 3.前封头处割豁横梁
前封头处割豁横梁易从卡在上翼板处的直角豁口处断裂。分析主要原因在于：该横梁只通过平板结构加固上翼板和腹板，而横梁折弯部分都悬到下翼板下面，无法起到加强作用，而且横梁割豁采用直角割豁，尖角部位易产生裂纹。为此，优化设计时，横梁割豁改为圆形样式，并将悬到上翼板下面的横梁通过一个梯形加固板与腹板和下翼板连接（图6）。
4.托盘横梁与固定盒接触部位
托盘横梁端部尖角部位易将扣焊在腹板上的固定盒撕裂。分析主要原因在于：牵引装置向上的弯曲变形，托盘横梁端部的尖角易将固定盒撕裂。为此，优化设计时，在托盘模梁与固定盒连接部位增加一个梯形连接板，增加托盘横梁与固定盒的接触面积，且横梁端部预留10mm不再焊接（图7）。
5.牵引装置调整块与牵引板焊缝处
通过跟踪，除上述6大危险区域外，牵引装置调整块与牵引板焊缝处易被撕裂，分析主要原因在于：调整块内侧还扣焊着一个调整盒，调整盒扣焊后，不易检查内部焊缝是否焊接，是否存在焊接缺陷。为此，优化设计时，为了简化生产工艺，便于生产焊接，将内侧的调整盒改为几个8mm的支撑板，便于检验调整块内侧焊接（图8）。
6.扣焊在腹板上的固定盒及附近区域的腹板
扣焊在腹板上的固定盒端部设计有倒角，且端部均预留10mm不与腹板焊接，因此固定盒区域的腹板未发现过撕裂现象。
四、优化后有限元分析结果
通过上述对可调式牵引装置的零部件的结构优化，对优化后的牵引装置模型施加相同的作用力，可以得到优化后牵引装置的应力分布图（图9）。
对比优化前后的应力分布图，我们可以得知优化后的牵引装置，在相同的零部件、相同的受力区域应力减少幅度较大，具体应力变化如表所示。
优化前后各组件上的应力值增幅为4.7MPa，分布在：托盘横梁与扣焊在腹板上的固定盒接触部位，应力增幅较小，可忽略不计；其余部位的应力值降幅范围为175.6～1297.5MPa，牵引装置优化后分布在各个部位的应力值均小于材料的屈服强度，因此优化后的牵引装置强度可满足实际工况下的强度要求，不会出现撕裂、断裂等故障。
五、结语
可调式牵引装置能够使粉罐半挂车更好地匹配不同鞍高的牵引车，提高挂车与牵引车之间的匹配合理性。本文通过对可调式牵引装置进行优化设计及有限元分析，进一步消除了牵引装置中存在的危险区域，解决了牵引装置使用中产生的炸裂问题，增加了牵引装置结构强度设计。由此可见：产品轻量化设计时，减重途径不仅仅是通过降低板材厚度来实现的，更需要我们在现有产品结构的基础上进行不断地优化，通过优化结构来实现产品轻量化设计，降低产品自重，为客户创造更高的经济效益。
一、前言
目前国内使用的粉罐半挂车90%以上为卧式结构，卧式结构的罐体前后一般都设有一定的角度（图1），主要是为了满足物料达到流化状态所需的角度要求。粉罐半挂车设计时为控制整车长度、轴荷分配比例及罐体离地高度等，再加上罐体本身前后设置有一定的角度，车架前后端下翼面高度差一般都比较大，当轮胎、板簧及吊耳等配件选定后，该挂车前部一般只能满足鞍座高度较高的牵引车，无法与鞍座较低的牵引车进行合理匹配。为了满足不同鞍高的牵引车，同时兼顾产品标准化、系列化设计，很多厂家通过使用可调式牵引装置调整H值（牵引板与车架下翼面的差值）来满足不同鞍座高度的牵引车，从而实现主挂的合理匹配。
可调式牵引装置主要由牵引板、牵引销、牵引销盖板、托盘横梁、托盘纵梁、调整块、内调整盒及导向板等组成，其中牵引销安装在牵引板的正中位置，在牵引销的上部横向扣焊有一道牵引销盖板，牵引销盖板的两端分别焊接在托盘纵梁上面，托盘纵梁采用板折件槽型样式，高度控制在180mm左右，纵梁上面不设减重孔及工艺孔。托盘纵梁两端分别焊接在托盘横梁上面，托盘纵梁与托盘横梁结构相似，高度控制在200mm左右，横梁两端割分别割有φ50的工艺孔。托盘横梁两端则焊接到内调整盒并扣焊在车架腹板上的固定盒上，内调整盒分别布置在车架下翼板与牵引板之间，用于固定牵引板和托盘横梁，增加抗扭强度。在下翼板与牵引板之间，还有一个焊接在腹板正下方的两块调整块，该调整块与调整盒作用相同且高度可以调整。从而实现调整牵引装置的H值，满足不同鞍座高度的牵引车，具体结构如图2所示。
二、可调式牵引装置受力分析
可调式牵引装置中的托盘横梁、托盘纵梁、调整块、内调整盒、导向板及扣焊在车架腹板上的固定盒等自制件均采用4mmT610L钢板，牵引板则采用10mmQ345钢板，对于T610L高强度钢，材料的屈服强度≥500MPa，抗拉强度为550～700MPa；Q345钢板，材料的屈服强度≥345MPa，抗拉强度490～675MPa。
粉罐半挂车在实际工作中，由于装载质量不同、行驶路况不同，所产生的牵引力、牵引板处支撑力及转弯所产生的向心力也不相同。以满载的43m3双仓粉罐半挂车为例，可调式牵引装置H值取150mm，运输介质为水泥，水泥的堆积密度按1t/m3计算，罐车载重量m1=43 000Kg，挂车自重m2=9500Kg，牵引装置处承载比例为32%，车辆行驶路况为一般水泥路，所有轮胎与地面的摩擦系数为η=0.012，车辆转弯时的转弯半径为r=17m，转弯时车速为v=15km/h。通常情况下车辆在行驶过程中会遇到紧急刹车、急速转弯或在凹凸不平道路行驶等特殊情况，因此对牵引装置施加力时按2倍受力进行施加。即沿行驶方向施加2倍的牵引力 F1=2*（ m1+m2）*g*η≈12350N；沿牵引板竖直向上方向施加2倍的支撑力F2=2*（m1+m2）* 0.32*g=329280N；沿与行驶方向呈直角的方向施加2倍的向心力 F3=2*（ m1+m2）* v/ r=214290N。
通过Pro/ENGINEER有限元分析我们可以得到可调式牵引装置的应力分布图（图3），当挂车向左侧转弯时，牵引装置中主要应力将分布在车体的右侧，其中牵引装置危险区主要分布在以下部位。
①牵引装置后面第一根“L型”横梁根部与腹板接触部位，应力值为：514.1MPa。
②托盘横梁上气割的工艺圆孔，尤其是圆孔的上部和下部，其中前部托盘横梁圆孔上部应力为：489.5MPa，圆孔下部应力为：549.5MPa；后部托盘横梁圆孔上部应力为：511.1MPa，圆孔下部应力为：596.8MPa。
③前封头处割豁横梁，卡在上翼板处的豁口部位，应力值为：592.4MPa。
④托盘横梁与扣焊在腹板上的固定盒接触部位，应力值为：247.2MPa。
⑤扣焊在腹板上的固定盒上部与腹板接触部位，应力值为：1444MPa/1657MPa。
⑥右侧扣焊在腹板上的固定盒上部腹板与罐体焊接部位，应力值为：546.1MPa。
Pro/ENGINEER有限元分析结果表明：对牵引装置施加2倍的受力时，上述6个区域承受的应力值均大于材料的屈服强度，因此上述危险区域在实际行驶过程中易出现撕裂、断裂等故障。
三、可调式牵引装置故障分析及结构优化
1.牵引装置后部“L型”横梁
通过对可调式牵引装置进行了两年左右的跟踪回访，我们发现，在路况较差的路段行驶的粉罐半挂车，其可调式牵引装置后部第一根“L型”横梁根部极易发生腹板炸裂，主要原因在于：牵引装置处腹板本身就很高，再加上可调式牵引装置调节的H值，造成牵引板上方的腹板过高，而托盘横梁自身较低，使得牵引装置处腹板的抗扭性能较差，而牵引装置后部的第一根“L型”横梁没有紧贴下翼板布置，造成腹板扭动变形时将横梁根部腹板撕裂。为此，优化设计时，将此横梁紧贴下翼板布置（图4）。
2.托盘横梁
可调式牵引装置中托盘横梁上气割的工艺圆孔，容易造成横梁整体断裂。分析主要原因在于：牵引装置可简化成两侧调整块和调整盒固定在下翼板的简支梁，牵引板上需承受挂车32%垂直向上的支撑力，因此牵引装置将产生向上的弯曲变形，托盘横梁两侧圆孔部位在弯矩作用下造成横梁沿圆孔整体断裂。为此，优化设计时，将此横梁取消工艺圆孔，并将板厚加厚至6mm（图5）。 3.前封头处割豁横梁
前封头处割豁横梁易从卡在上翼板处的直角豁口处断裂。分析主要原因在于：该横梁只通过平板结构加固上翼板和腹板，而横梁折弯部分都悬到下翼板下面，无法起到加强作用，而且横梁割豁采用直角割豁，尖角部位易产生裂纹。为此，优化设计时，横梁割豁改为圆形样式，并将悬到上翼板下面的横梁通过一个梯形加固板与腹板和下翼板连接（图6）。
4.托盘横梁与固定盒接触部位
托盘横梁端部尖角部位易将扣焊在腹板上的固定盒撕裂。分析主要原因在于：牵引装置向上的弯曲变形，托盘横梁端部的尖角易将固定盒撕裂。为此，优化设计时，在托盘模梁与固定盒连接部位增加一个梯形连接板，增加托盘横梁与固定盒的接触面积，且横梁端部预留10mm不再焊接（图7）。
5.牵引装置调整块与牵引板焊缝处
通过跟踪，除上述6大危险区域外，牵引装置调整块与牵引板焊缝处易被撕裂，分析主要原因在于：调整块内侧还扣焊着一个调整盒，调整盒扣焊后，不易检查内部焊缝是否焊接，是否存在焊接缺陷。为此，优化设计时，为了简化生产工艺，便于生产焊接，将内侧的调整盒改为几个8mm的支撑板，便于检验调整块内侧焊接（图8）。
6.扣焊在腹板上的固定盒及附近区域的腹板
扣焊在腹板上的固定盒端部设计有倒角，且端部均预留10mm不与腹板焊接，因此固定盒区域的腹板未发现过撕裂现象。
四、优化后有限元分析结果
通过上述对可调式牵引装置的零部件的结构优化，对优化后的牵引装置模型施加相同的作用力，可以得到优化后牵引装置的应力分布图（图9）。
对比优化前后的应力分布图，我们可以得知优化后的牵引装置，在相同的零部件、相同的受力区域应力减少幅度较大，具体应力变化如表所示。
优化前后各组件上的应力值增幅为4.7MPa，分布在：托盘横梁与扣焊在腹板上的固定盒接触部位，应力增幅较小，可忽略不计；其余部位的应力值降幅范围为175.6～1297.5MPa，牵引装置优化后分布在各个部位的应力值均小于材料的屈服强度，因此优化后的牵引装置强度可满足实际工况下的强度要求，不会出现撕裂、断裂等故障。
五、结语
可调式牵引装置能够使粉罐半挂车更好地匹配不同鞍高的牵引车，提高挂车与牵引车之间的匹配合理性。本文通过对可调式牵引装置进行优化设计及有限元分析，进一步消除了牵引装置中存在的危险区域，解决了牵引装置使用中产生的炸裂问题，增加了牵引装置结构强度设计。由此可见：产品轻量化设计时，减重途径不仅仅是通过降低板材厚度来实现的，更需要我们在现有产品结构的基础上进行不断地优化，通过优化结构来实现产品轻量化设计，降低产品自重，为客户创造更高的经济效益。