自卸車后開(kāi)門機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核

徐國(guó)紅 王旭 韓月琴

駐馬店中集華駿車輛有限公司 河南駐馬店 463000

1 前言

目前，市場(chǎng)上最為常見(jiàn)的自卸車后開(kāi)門機(jī)構(gòu)為鐵鏈?zhǔn)介_(kāi)門機(jī)構(gòu)。在日常使用中，用戶反饋后開(kāi)門機(jī)構(gòu)的下固定座U型叉銷軸經(jīng)常損壞。為找出損壞原因，筆者對(duì)開(kāi)門機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析。開(kāi)門機(jī)構(gòu)作為自卸車卸貨時(shí)頻繁啟閉的部件，U型叉銷軸強(qiáng)度的滿足與否將直接影響到整車的運(yùn)行安全和運(yùn)營(yíng)效率，而在U型叉銷軸的設(shè)計(jì)中，最繁瑣的工作就是計(jì)算出在后門開(kāi)啟之前，該銷軸所受的來(lái)自鐵鏈對(duì)其施加的最大拉力。為求鐵鏈拉力必須先求出箱內(nèi)貨物施加于貨箱后門上的對(duì)鎖鉤的最大推力。由于箱內(nèi)貨物施加于貨箱后門上的推力在后門開(kāi)啟之前隨貨箱舉升角而變化，加之鐵鏈為柔性連接，所以常規(guī)的力學(xué)求解方法很難計(jì)算出鐵鏈的拉力。下面對(duì)自卸車開(kāi)門機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程進(jìn)行研究分析，找出U型叉銷軸受力最大的位置時(shí)刻，然后運(yùn)用三維軟件Creo的Mechanism機(jī)構(gòu)模塊拓?fù)溆?jì)算的方法分析求解出此力，據(jù)此進(jìn)入Simulate有限元分析模塊完成對(duì)U型叉銷軸的強(qiáng)度校核，旨在為自卸車鐵鏈開(kāi)門機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及校核提供一種方法和理論依據(jù)。

2 鐵鏈開(kāi)門機(jī)構(gòu)的基本組成及其工作原理

自卸車鐵鏈開(kāi)門機(jī)構(gòu)是指實(shí)現(xiàn)自卸車后門啟閉的一種裝置[1]，因其相較桿式開(kāi)門機(jī)構(gòu)（如圖1所示）而言具有安裝方便、啟閉靈活、不易損壞的特點(diǎn)，故而被越來(lái)越多的用戶選用。一般而言，自卸車較為常見(jiàn)的鐵鏈開(kāi)門機(jī)構(gòu)由上固定座、鎖鉤、鐵鏈、U型叉、銷軸、下固定座總成等組成，如圖2所示。自卸車后門必須開(kāi)啟靈活，回位精確，鎖緊可靠，才能保障自卸車的正常使用。

圖1 重力啟閉桿式鎖緊結(jié)構(gòu)

圖2 重力啟閉鏈?zhǔn)芥i緊結(jié)構(gòu)

3 后門受力過(guò)程分析及求解

以裝載某貨物的自卸車為例，對(duì)其從開(kāi)始舉升至開(kāi)門機(jī)構(gòu)鎖鉤脫離后門，后門完全打開(kāi)的過(guò)程進(jìn)行分析，從而找出后門受力最大的時(shí)刻點(diǎn)，然后據(jù)此計(jì)算出后門所受的最大力，為下文鐵鏈開(kāi)門機(jī)構(gòu)U型叉銷軸的強(qiáng)度校核提供前提。

3.1 后門受力過(guò)程分析

當(dāng)貨箱滿載且尚未舉升時(shí)，箱內(nèi)貨物介質(zhì)受自身安息角的影響，在貨箱尾部的貨物有呈楔塊形狀向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，后門受到來(lái)自該楔塊體的下滑推力；當(dāng)貨箱開(kāi)始舉升且后門尚未打開(kāi)時(shí)，隨著舉升角度的增加該楔塊體積逐漸變大，后門所受的推力也逐漸增大，直至后門完全打開(kāi)，貨物脫落，后門所受推力驟變?yōu)?；由此可知，當(dāng)貨箱舉升至臨界開(kāi)門時(shí)，后門所受到的來(lái)自箱內(nèi)貨物的推力最大。

3.2 后門所受最大力求解

設(shè)定貨箱舉升至5°時(shí)后門完全打開(kāi)，也即后門在貨箱舉升至5°時(shí)受到來(lái)自箱內(nèi)貨物的推力最大。并設(shè)定貨箱內(nèi)控寬度D=2.3 m，內(nèi)控高度H=1.5 m，箱內(nèi)貨物介質(zhì)為干沙；依據(jù)克列因在其所著的《散體結(jié)構(gòu)力學(xué)》一書中對(duì)有關(guān)介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的介紹，經(jīng)查表可知干沙散體介質(zhì)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表1所示，此處取干沙重力密度γ=16 kN/m3，內(nèi)摩擦角ψ=32°，外摩擦角δ=29°，粘性系數(shù)C=0。

表1 干沙介質(zhì)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

由于安息角的影響，貨箱尾部具有下滑趨勢(shì)的貨物和保持靜止無(wú)下滑趨勢(shì)的貨物之間會(huì)形成破裂下滑線如圖3所示。當(dāng)貨箱舉升5°時(shí)，箱內(nèi)破裂下滑線BC右側(cè)的貨物因底架對(duì)其的外摩擦角遠(yuǎn)大于貨箱舉升角度，所以BC線右側(cè)的貨物會(huì)保持平衡無(wú)下滑趨勢(shì)。由此可知，箱內(nèi)貨物在自身安息角作用下具有下滑趨勢(shì)，真正對(duì)后門施加推力的為圖示破裂下滑線BC左側(cè)的干沙楔塊體；該楔塊體在自身重力W、后板阻推力P，及BC線右側(cè)貨物支撐力R的共同作用下處于極限平衡狀態(tài)，其受力分析如圖3所示。由圖示可知，后廂傾斜角與干沙坡角以及貨箱舉升角三者相等，也即α=β=5°。

圖3 受力分析

依據(jù)上述分析結(jié)合庫(kù)侖土壓力理論[2]進(jìn)一步可知，干沙楔塊體在W、P、R三個(gè)力的共同作用下處于靜止極限平衡狀態(tài)，三個(gè)力合圍成力的三角形閉合環(huán)，如圖4所示，由正弦定理可得：

圖4 受力矢量圖

其中：ψ=90°-δ-α。

在三角形ΔABC中，由正弦定理可知：

三角形ΔADB中，由正弦定理可知：

于是，干沙楔塊體質(zhì)量進(jìn)一步可表示為：

將式（2）代入式（3） 可得：

由上述假設(shè)及推理可知，因式中只有θ未知，故E隨θ變化而變化，當(dāng)E最大時(shí)，干沙楔塊體ΔABC開(kāi)始沿破裂下滑面BC向后門后下方破裂下滑。

為求Pmax，令，進(jìn)而求得破裂滑動(dòng)角θ，并代入式(3)，從而得出：

代入已知數(shù)據(jù)，可得Pa=5.63 kN/m，其力矩分布及合力矩作用點(diǎn)如圖5所示[3]。

圖5 推力分布及合力作用點(diǎn)

4 簡(jiǎn)化模型建立及U型叉銷軸徑向力求解

后門除受到上述干沙楔塊體對(duì)其施加的推力外，還受到開(kāi)門機(jī)構(gòu)鎖鉤的鎖緊力，以及貨箱后上端掛鉤的拉力。為求出開(kāi)門機(jī)構(gòu)鐵鏈對(duì)U型叉銷軸的拉力，必須先求出開(kāi)門機(jī)構(gòu)鎖鉤對(duì)后門的鎖緊力，故必須先求出掛鉤對(duì)后門的拉力，但是掛鉤對(duì)后門拉力的大小及方向均難以確定，求解過(guò)程較為麻煩。以下運(yùn)用三維軟件Creo軟件的Mchanism機(jī)構(gòu)分析模塊避開(kāi)掛鉤拉力及開(kāi)門機(jī)構(gòu)鎖鉤的鎖緊力，直接對(duì)U型叉銷軸所受的拉力進(jìn)行計(jì)算求解。

4.1 簡(jiǎn)化模型建立

運(yùn)用三維軟件Creo建立自卸車后開(kāi)門機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析簡(jiǎn)化模型如圖6所示，各部件之間按照生產(chǎn)實(shí)際組裝關(guān)系裝配在一起。

圖6 力學(xué)簡(jiǎn)化模型

4.2 銷軸徑向力求解

進(jìn)入三維軟件Creo的Mechanism機(jī)構(gòu)分析模塊，于后門1/3高度處施加干沙楔塊體的推力，如圖7所示。由上述分析可知，干沙楔塊體在貨箱舉升至5°時(shí)處于極限平衡狀態(tài)，于此建立力平衡狀態(tài)分析并運(yùn)行計(jì)算，然后建立U型叉銷軸徑向反作用力相對(duì)于后門推力的測(cè)量，求得U型叉銷軸所受徑向力為24973 N,如圖8所示。

圖7 楔體塊對(duì)后門推力作用點(diǎn)

圖8 U型卡銷軸徑向力測(cè)量

5 強(qiáng)度校核

5.1 銷軸屬性設(shè)定

在后鐵鏈開(kāi)門機(jī)構(gòu)中鐵鏈與U型叉及其銷軸的裝配關(guān)系如圖9所示。取銷軸直徑為市場(chǎng)上最為常見(jiàn)的?16 mm，并設(shè)定銷軸允許最大極限變形位移量不得超過(guò)0.05 mm，銷軸詳細(xì)的材料屬性如表2所示[4]。

圖9 U型卡銷軸裝配

表2 材料屬性

5.2 有限元靜態(tài)位移分析

應(yīng)用三維軟件Creo建立鐵鏈開(kāi)門機(jī)構(gòu)的U型叉銷軸模型，然后進(jìn)入Creo Simulate有限元分析模塊，由圖9可知銷軸兩端與U型叉之間，以及銷軸中間與下固定座絲桿之間的裝配關(guān)系均為面接觸，據(jù)此將上述求解的力F施加在銷軸相應(yīng)的面上[5]。運(yùn)行分析結(jié)果如圖10所示，可知U型叉銷軸最大變形位移為0.035 mm，小于設(shè)定最大允許變形位移0.05 mm，可見(jiàn)滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

鐵鏈開(kāi)門機(jī)構(gòu)作為自卸車啟閉開(kāi)門的重要部件，其結(jié)構(gòu)還有待很多改進(jìn)和優(yōu)化之處。本文通過(guò)對(duì)自卸車舉升卸貨過(guò)程進(jìn)行分析，進(jìn)而根據(jù)庫(kù)侖土壓力理論計(jì)算出貨箱后端具有下滑趨勢(shì)的干沙楔塊體對(duì)后門的推力，然后用三維軟件Creo的Mechanism機(jī)構(gòu)模塊自動(dòng)拓?fù)溆?jì)算出U型叉銷軸所受的最大拉力，并據(jù)此對(duì)U型叉銷軸進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核，為自卸車鐵鏈開(kāi)門機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及校核提供了一種新的方法和理論依據(jù)。