應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的有限元分析研究

郭帥超

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一六研究所，江蘇連云港 222006）

隨著科技的進(jìn)步和人類生產(chǎn)活動(dòng)的增加，在舉辦大型文體活動(dòng)或者遭遇自然災(zāi)害時(shí)，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指揮活動(dòng)或者對(duì)應(yīng)急救援措施進(jìn)行預(yù)判。隨著應(yīng)急指揮車在人類生活中的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)急指揮車的制造技術(shù)也得到了快速發(fā)展。以往的應(yīng)急指揮車大多是廂式車或者普通方艙形式，隨著技術(shù)的進(jìn)步越來越多的應(yīng)急指揮車采用了擴(kuò)展艙的形式。

為了獲得足夠大的擴(kuò)展作業(yè)空間并提高利用率，廠家把擴(kuò)展艙的擴(kuò)展行程尺寸做得越來越大。但是，受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和道路交通機(jī)動(dòng)車法規(guī)的限制，為了實(shí)現(xiàn)用戶需求和法規(guī)及制造技術(shù)的均衡發(fā)展，采用了有限元分析的方式對(duì)應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行受力分析[1]。

1 應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙結(jié)構(gòu)的當(dāng)前現(xiàn)狀

應(yīng)急指揮車的擴(kuò)展艙結(jié)構(gòu)形式目前采用2種方式：一種是采用矩形鋼管內(nèi)部套裝矩形鋼管作為支撐傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用外套矩形鋼管和內(nèi)嵌矩形鋼管之間的滑動(dòng)摩擦的方式來進(jìn)行多級(jí)擴(kuò)展；另一種是在矩形鋼管側(cè)面安裝滾動(dòng)軸承作為支撐體，然后在軸承上安裝工字軌作為滑動(dòng)軌道的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用滾動(dòng)軸承和工字軌之間的滾動(dòng)摩擦進(jìn)行擴(kuò)展[2]。

1.1 應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式

應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式是最簡(jiǎn)單的一種傳動(dòng)方式，其結(jié)構(gòu)原理為在一個(gè)較大規(guī)格的矩形鋼管內(nèi)部嵌套一個(gè)相匹配的小規(guī)格矩形鋼管，大規(guī)格矩形鋼管與小規(guī)格矩形鋼管之間通過安裝聚四氟乙烯滑塊和涂抹潤(rùn)滑黃油的方式來減小鋼材與鋼材之間的滑動(dòng)摩擦，在減小摩擦阻力的同時(shí)提高傳動(dòng)矩形鋼管的使用壽命，這種方式是早期特種車輛的擴(kuò)展艙在設(shè)計(jì)制造過程中常用到的一種傳動(dòng)方式[3]。

應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式如圖1所示。

圖1 應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式

在工程實(shí)踐中，根據(jù)擴(kuò)展艙的擴(kuò)展行程和方艙的實(shí)際載荷來選用合適的矩形鋼管作為擴(kuò)展傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)。一般指揮車的擴(kuò)展艙的擴(kuò)展行程為1 m 左右，擴(kuò)展艙的載荷為2 t 左右，根據(jù)這一基礎(chǔ)參數(shù)在設(shè)計(jì)制造時(shí)一般采用尺寸為120 mm×200 mm×10 mm 的矩形鋼管和尺寸為80 mm×160 mm×10 mm 的矩形鋼管。采用矩形鋼管作為靜軌（外套鋼管，尺寸為120 mm×200 mm×10 mm），采用矩形鋼管作為動(dòng)軌（內(nèi)嵌鋼管，尺寸為80 mm×160 mm×10 mm），動(dòng)軌（內(nèi)嵌鋼管）矩形鋼管的外壁安裝耐磨的聚四氟乙烯滑塊，聚四氟乙烯滑塊在動(dòng)軌內(nèi)嵌鋼管和靜軌外套鋼管之間，避免金屬與金屬的面直接接觸，同時(shí)在靜軌（外套鋼管）和動(dòng)軌（內(nèi)嵌鋼管）的聚四氟乙烯滑塊之間涂抹潤(rùn)滑黃油，潤(rùn)滑黃油又起到了減小摩擦力和保護(hù)靜軌（外套矩形鋼管）內(nèi)壁與動(dòng)軌（內(nèi)嵌矩形鋼管外壁）安裝的聚四氟乙烯滑塊直接接觸損傷[4]。應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式截面如圖2 所示。

圖2 應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式截面示意圖

該應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是矩形鋼管為貨架產(chǎn)品，可以直接采購，不但成本低而且供貨周期也短。動(dòng)軌與定軌的加工制造和安裝精度要求不高，該滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式適用于對(duì)艙內(nèi)調(diào)平要求不高的擴(kuò)展方艙。但是，滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式的缺點(diǎn)也是顯而易見的，由于靜軌外套矩形鋼管和動(dòng)軌內(nèi)嵌矩形鋼管之間是通過聚四氟乙烯作為滑塊使用，隨著時(shí)間的推移，滑塊必然會(huì)產(chǎn)生磨損，在擴(kuò)展艙出方艙后，受自身重力作用擴(kuò)展艙會(huì)有一定程度的傾斜。隨著時(shí)間的累積和滑塊的磨損，擴(kuò)展艙的傾斜角度會(huì)越來越大，在一定程度上會(huì)影響應(yīng)急指揮車使用的安全性。同時(shí)，為了減小聚四氟乙烯滑塊與靜軌矩形鋼管內(nèi)壁之間的摩擦力而使用了大量的固體潤(rùn)滑油脂，在室外工作時(shí)暴露的潤(rùn)滑油脂會(huì)吸附大量的灰塵甚至石子等異物，容易加速滑塊的損壞和阻塞動(dòng)軌與靜軌之間的摩擦運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)動(dòng)軌和靜軌之間的摩擦副造成損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)展艙無法展開或閉合，影響了應(yīng)急指揮車工作的正常開展[5]。

1.2 應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式

應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式是應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙的另一種常用的傳動(dòng)方式，該滾動(dòng)摩擦擴(kuò)展艙的傳動(dòng)方式原理為：在靜軌（矩形鋼管）的側(cè)壁前后安裝2 組軸承，將使用工字軌的凹槽與軸承相組合，通過電動(dòng)或者液壓動(dòng)力方式驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展艙，配合動(dòng)軌（工字鋼）的伸展或者回收的方式來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展艙的展開和閉合動(dòng)作[6]。應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式截面示意圖如圖3 所示。

圖3 應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式截面示意圖

該擴(kuò)展艙滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)如下：①效率高。采用滾動(dòng)摩擦方式代替滑動(dòng)摩擦，減小了擴(kuò)展艙在展開或閉合過程中的摩擦阻力，提高了傳動(dòng)效率。②手動(dòng)應(yīng)急。在遇到?jīng)]有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的情況下，采用手動(dòng)應(yīng)急的方式也可以實(shí)現(xiàn)單人手動(dòng)展開或者回收擴(kuò)展艙。這是滑動(dòng)摩擦方式傳動(dòng)擴(kuò)展艙所不能實(shí)現(xiàn)的，滑動(dòng)摩擦方式的運(yùn)動(dòng)阻力較大，很難實(shí)現(xiàn)單人手動(dòng)狀態(tài)下展開或者閉合擴(kuò)展艙。③環(huán)境依賴度低。滾動(dòng)摩擦采用了軸承和工字軌組合的方式，不需要添加潤(rùn)滑油脂，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問題。同時(shí)，在軸承的兩側(cè)安裝了掃除異物的毛刷，保證在動(dòng)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)軸承前后方向安裝的毛刷已經(jīng)清除了工字軌內(nèi)的異物，不但保證了軸承在運(yùn)動(dòng)過程中的安全性，同時(shí)也提高了軸承和工字軌的使用壽命。

但是，擴(kuò)展艙滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)的缺點(diǎn)也是顯而易見的，由于幾噸重的方艙是通過滾動(dòng)摩擦副來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展艙的展出和回收動(dòng)作，且滾動(dòng)摩擦副的接觸面為線接觸，對(duì)定軌軸承部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高，必須選購高質(zhì)量的軸承組件，從而增加了材料采購成本。同時(shí)，為了使動(dòng)軌可以保持水平展出和回收，定軌的軸承必須至少安裝2 組配合使用。為了使每組軸承都能均勻受力，減少對(duì)單組軸承的壓力，對(duì)軸承和工字軌安裝方面的要求更高，相應(yīng)的加工精度和制造精度也因更高，從而造成加工制造成本更高[7]。

2 應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙當(dāng)前的設(shè)計(jì)方法

應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙當(dāng)前的設(shè)計(jì)方法基本上為手工計(jì)算設(shè)計(jì)法和歷史經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，手工計(jì)算法為采用力學(xué)原理簡(jiǎn)化模型來進(jìn)行擴(kuò)展艙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力分析計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法則為在進(jìn)行大量手工計(jì)算的前提下根據(jù)以往的類似經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行估算。

2.1 手工計(jì)算設(shè)計(jì)法

手工計(jì)算設(shè)計(jì)法是中國(guó)第一代機(jī)械工程師門一直采用的方法，由于國(guó)內(nèi)電子技術(shù)起步較晚，中國(guó)的第一代機(jī)械工程技術(shù)人員進(jìn)行受力分析計(jì)算時(shí)采用的是最原始的手工繪圖和手工計(jì)算。首先，手工測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸并繪制出圖紙模型；接著，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖紙模型進(jìn)行簡(jiǎn)化分析；然后，使用理論力學(xué)原理知識(shí)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算得出選用機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否合理，如果不合理則更換選用的零部件材料、規(guī)格、安裝方式等；最后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定最終的機(jī)械零部件選材和設(shè)計(jì)方案[8]。經(jīng)過簡(jiǎn)化后的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的手工計(jì)算如圖4 所示。

圖4 經(jīng)過簡(jiǎn)化后的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的手工計(jì)算

將擴(kuò)展艙的質(zhì)量簡(jiǎn)化為一個(gè)重力點(diǎn)G，根據(jù)擴(kuò)展艙的質(zhì)量分布情況，將該重力施加在動(dòng)軌端部，約占擴(kuò)展艙行程的1/3 處。動(dòng)軌和靜軌之間通過聚四氟乙烯滑塊進(jìn)行力的傳遞和約束，可以簡(jiǎn)化為2 個(gè)支撐力F1與支撐力F2。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求F1+F2＞G，擴(kuò)展艙的重力G由建設(shè)過程中稱重測(cè)量得知，簡(jiǎn)化模型的F1=F2，從而可以得出F1的數(shù)值。然后再根據(jù)撓度計(jì)算公式來計(jì)算所選擇的材料及規(guī)格的動(dòng)軌在最大行程處的撓度值，查看該撓度值是否超出所選擇的材料及規(guī)格動(dòng)軌懸臂梁的最大撓度值，如果超出材料的最大撓度值，則該材料不滿足設(shè)計(jì)需求，需更換其他材料類別或者其他規(guī)格的動(dòng)軌材料，直至選擇到合適的動(dòng)軌材料及規(guī)格為止[9]。

手工計(jì)算設(shè)計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，經(jīng)過機(jī)械設(shè)計(jì)工程師的逐步計(jì)算，反復(fù)驗(yàn)證材料的類別和規(guī)格，這樣得出的結(jié)果相對(duì)比較準(zhǔn)確，這也是年輕一代機(jī)械工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)該學(xué)習(xí)的刻苦鉆研精神。但是，手工計(jì)算設(shè)計(jì)法的缺點(diǎn)是計(jì)算需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，前期投入在設(shè)計(jì)方面的時(shí)間較多，增加了設(shè)計(jì)成本和時(shí)間成本，延長(zhǎng)了擴(kuò)展方艙的建設(shè)周期。

2.2 歷史經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法

經(jīng)過大量的設(shè)計(jì)過程并經(jīng)過工程實(shí)踐驗(yàn)證之后，如果遇到新的擴(kuò)展艙設(shè)計(jì)可以采用類別分析法。在擴(kuò)展艙體尺寸及載荷近似的情況下，可以直接采用以往的類似擴(kuò)展方艙的動(dòng)軌及靜軌數(shù)量和規(guī)格配置來進(jìn)行新的擴(kuò)展方艙的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，可以減少大量的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工作。

歷史經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)是可以減少大量的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作，將以往的成熟經(jīng)驗(yàn)直接拿來用，這種情況可以解決95%以上的設(shè)計(jì)問題，不但可以節(jié)約常規(guī)擴(kuò)展艙的設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)也可以騰出更多技術(shù)精力和時(shí)間進(jìn)行已有產(chǎn)品的性能提升和新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。但是，歷史經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的缺點(diǎn)也是顯而易見的，在大量運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法之后，隨著時(shí)間的推移，經(jīng)驗(yàn)法的誤差會(huì)越來越大，最終會(huì)導(dǎo)致在某一天經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法偏差過大時(shí)出現(xiàn)技術(shù)失誤，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生[10]。

3 應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的有限元分析

應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法主要包括手工計(jì)算設(shè)計(jì)法和歷史經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，這2 種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在有類似項(xiàng)目時(shí)可以采用歷史經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，在遇到新的擴(kuò)展艙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以采用手工計(jì)算設(shè)計(jì)法[11]。

隨著科技和電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可以采用有限元分析軟件更加快速便捷地對(duì)擴(kuò)展艙體的動(dòng)軌受力情況進(jìn)行受力分析和變形分析。使用有限元分析軟件對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，不但計(jì)算分析的速度快而且結(jié)果更為準(zhǔn)確，極大地提高了機(jī)械設(shè)計(jì)人員的工作效率。

對(duì)擴(kuò)展艙動(dòng)軌和側(cè)拉平臺(tái)動(dòng)軌進(jìn)行三維建模，然后將三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件，通過對(duì)擴(kuò)展艙動(dòng)軌和側(cè)拉平臺(tái)動(dòng)軌的三維模型施加相應(yīng)的載荷，以此來分析計(jì)算擴(kuò)展艙動(dòng)軌和側(cè)拉平臺(tái)動(dòng)軌的受力情況和變形情況。與動(dòng)軌材料的屈服極限應(yīng)力和許用變形量相比較，如果沒有超過該值，則為合理；如果超過該值，則應(yīng)更換導(dǎo)軌材料或者重新建模進(jìn)行受力分析，直至選擇到合適的材料為止[12]。下面對(duì)應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙的動(dòng)軌和應(yīng)急指揮車側(cè)拉平臺(tái)的動(dòng)軌進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如下。

3.1 對(duì)擴(kuò)展艙動(dòng)軌進(jìn)行有限元分析

經(jīng)計(jì)算，擴(kuò)展艙質(zhì)量為1 500 kg。在自重的基礎(chǔ)上，在擴(kuò)展艙內(nèi)部的外側(cè)加載質(zhì)量1 200 kg，模擬16 名工作人員在其內(nèi)部均勻站立的工況，對(duì)擴(kuò)展艙體的動(dòng)軌進(jìn)行建模。建模完成后將擴(kuò)展艙動(dòng)軌的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，在合適位置施加載荷后對(duì)動(dòng)軌進(jìn)行受力分析和變形分析，經(jīng)過有限元軟件分析后的擴(kuò)展艙動(dòng)軌的變形和受力情況分別如圖5和圖6 所示。

圖5 擴(kuò)展艙動(dòng)軌變形云圖

圖6 擴(kuò)展艙動(dòng)軌應(yīng)力云圖

從圖中可以看到，擴(kuò)展艙動(dòng)軌端部的最大變形量為4.21 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。動(dòng)軌最大應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力值為88.6 MPa，遠(yuǎn)小于動(dòng)軌材料的屈服極限應(yīng)力（235 MPa），因此動(dòng)軌材料的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 對(duì)側(cè)拉平臺(tái)動(dòng)軌的有限元分析

經(jīng)計(jì)算，側(cè)拉平臺(tái)的質(zhì)量為160 kg。在自重的基礎(chǔ)上，在側(cè)拉平臺(tái)外側(cè)加載質(zhì)量750 kg，模擬10 名工作人員在其側(cè)拉平臺(tái)中心位置均勻站立的工況。通過三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)側(cè)拉平臺(tái)動(dòng)軌進(jìn)行三維建模，建模完成后將側(cè)拉平臺(tái)動(dòng)軌的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件，在合適位置施加載荷后對(duì)動(dòng)軌進(jìn)行受力分析和變形分析。經(jīng)過有限元軟件分析后側(cè)拉平臺(tái)動(dòng)軌的變形和受力如圖7 和圖8 所示。

圖7 側(cè)拉平臺(tái)導(dǎo)軌應(yīng)變?cè)茍D

圖8 側(cè)拉平臺(tái)導(dǎo)軌應(yīng)力云圖

從圖中可知，側(cè)拉平臺(tái)動(dòng)軌端部最大變形量為8.56 mm，比較大。但是動(dòng)軌最大應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力值為108.5 MPa，遠(yuǎn)小于動(dòng)軌材料的屈服極限應(yīng)力（235 MPa），安全系數(shù)為2.17，動(dòng)軌的強(qiáng)度滿足技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)了應(yīng)急指揮車擴(kuò)展艙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)和滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)。提出了當(dāng)下工作效率更高的有限元分析方式的設(shè)計(jì)方法，希望在工作中可以為廣大工程技術(shù)人員提供參考。