某特種工程車輛前清障鏟裝置設(shè)計(jì)

胡 靜，王興宇，員險(xiǎn)鋒，延 偉

(三一汽車制造有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)間緊急、刻不容緩，但前往搶險(xiǎn)救災(zāi)場(chǎng)地的道路難免存在路況復(fù)雜和障礙物的情形，如不能及時(shí)清理會(huì)阻礙搶險(xiǎn)救災(zāi)工作的順利進(jìn)行，因此需要裝有清障鏟的特種工程車輛進(jìn)行開路，以便為后續(xù)執(zhí)行物資運(yùn)輸、救護(hù)等任務(wù)的車輛開辟生命通道。這些特種工程車輛包括特種消防車、搶險(xiǎn)救援車、道路清障車等[1-4]。

現(xiàn)有特種工程車輛的前清障鏟裝置一般安裝在卡車底盤的前端，采用平行四桿機(jī)構(gòu)，清障鏟收回時(shí)其突出在車輛前端會(huì)增大車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，同時(shí)連桿機(jī)構(gòu)和鏟板極大地減小了車輛的接近角。綜上所述，該種前清障鏟裝置會(huì)極大地影響車輛的機(jī)動(dòng)性和越野能力，導(dǎo)致車輛無法進(jìn)入一些對(duì)越野和機(jī)動(dòng)性要求較高的道路或場(chǎng)地進(jìn)行清障作業(yè)。因此，在設(shè)計(jì)前清障鏟裝置時(shí)應(yīng)避免或盡可能減小該裝置對(duì)車輛機(jī)動(dòng)性和越野能力的影響。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)校核

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

特種工程車輛前清障鏟裝置的設(shè)計(jì)要求中，除了保證車輛的機(jī)動(dòng)性和越野能力外，還應(yīng)有與車輛最大牽引力相匹配的清障能力以及高可靠性，即要求清障鏟機(jī)械結(jié)構(gòu)能承受與特種工程車輛最大牽引力相等大小的阻力作用而不產(chǎn)生塑性變形和破壞。鑒于此，設(shè)計(jì)時(shí)鏟板和加強(qiáng)骨架等主要承力部件均采用高強(qiáng)度鋼材，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙搖桿四桿機(jī)構(gòu)。相比于現(xiàn)有一般車輛采用的僅能夠?qū)崿F(xiàn)清障鏟板豎直方向運(yùn)動(dòng)的平行四桿機(jī)構(gòu)(如圖1、圖2所示)，雙搖桿機(jī)構(gòu)能夠使鏟板具有變角度轉(zhuǎn)動(dòng)的特殊運(yùn)動(dòng)軌跡[5-7]。

圖1 某特種車輛前清障鏟裝置

圖2 平行四桿機(jī)構(gòu)清障鏟運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

如圖3～圖5所示，本文設(shè)計(jì)的清障鏟裝置由鏟板總成1、輔助支撐桿固定支座2、油缸3、油缸固定支架4、輔助支撐架5、主支撐架固定支架6、主支撐架總成7、限位鎖鏈8、平衡閥9、液壓站10等組成。主支撐架和輔助支撐架兩端通過銷軸與鏟板和固定支座進(jìn)行鉸接，鉸接點(diǎn)處安裝免維護(hù)的自潤(rùn)滑軸承。

圖3 雙搖桿機(jī)構(gòu)清障鏟裝置側(cè)視圖 圖4 雙搖桿機(jī)構(gòu)清障鏟裝置前視圖

圖5 雙搖桿機(jī)構(gòu)清障鏟裝置運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

如圖3虛線框所示，前清障鏟裝置安裝在車體上，形成以車體為機(jī)架、鏟板為連架桿、主支撐架和輔助支撐架為兩個(gè)搖桿的雙搖桿四連桿機(jī)構(gòu)。油缸垂向安裝于主支撐架和油缸固定支架之間，為整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)力。限位鎖鏈沿油缸方向設(shè)置，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度短于油缸最大伸出總長(zhǎng)度，用于限制機(jī)構(gòu)的最低極限位置和承受清障作業(yè)時(shí)的拉力。

1.2 運(yùn)動(dòng)校核

設(shè)計(jì)清障鏟裝置雙搖桿機(jī)構(gòu)時(shí)，最重要的工作是校核機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡和鏟板的極限位置是否滿足車輛總體布置對(duì)接近角和整車長(zhǎng)度的需求，并以此進(jìn)行油缸伸縮行程的選型。

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，利用三維軟件Pro/E進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)校核，結(jié)果如圖5所示，鏟板收回至極限位置時(shí)，鏟板、主支撐架總成輔助支撐架和油缸將處于圖5所示虛線狀態(tài)，與車體前傾的面板貼合，外形美觀且整車接近角滿足35°的設(shè)計(jì)要求。此外，鏟板展開和收回時(shí)均不超過車體最前端的防撞梁，不影響整車的機(jī)動(dòng)性。

2 清障鏟裝置工作原理

當(dāng)車輛進(jìn)行清障作業(yè)時(shí)，液壓站驅(qū)動(dòng)油缸活塞桿伸出，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)向下轉(zhuǎn)動(dòng)至最低位置。對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，不難得出當(dāng)鏟板受水平推力時(shí)油缸受力為拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)將液壓回路上的平衡閥壓力設(shè)定為略大于克服機(jī)構(gòu)重力將鏟板收回所需的壓力即可。清障作業(yè)時(shí)，作用于油缸上的拉應(yīng)力超過平衡閥設(shè)定壓力，迫使液壓回路連通，油缸可自由伸縮，此時(shí)拉應(yīng)力將完全由限位鎖鏈承受，以此保護(hù)油缸及液壓系統(tǒng)，增加整個(gè)裝置的使用可靠性。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)油缸和液壓系統(tǒng)僅需滿足支撐鏟板自身質(zhì)量的動(dòng)作即可，油缸及其他液壓系統(tǒng)部件可以簡(jiǎn)化，成本大大降低。

機(jī)構(gòu)收回時(shí)，液壓站驅(qū)動(dòng)油缸活塞桿回收帶動(dòng)機(jī)構(gòu)向上轉(zhuǎn)動(dòng)，主支撐架總成2和輔助支撐架4形成的雙搖桿機(jī)構(gòu)將使鏟板實(shí)現(xiàn)變角度轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)油缸活塞桿完全收回時(shí)，帶動(dòng)鏟板轉(zhuǎn)動(dòng)至與車體前傾的面板貼合。

3 仿真計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真計(jì)算

安裝本文設(shè)計(jì)的前清障鏟裝置的某特種工程車輛，動(dòng)力系統(tǒng)最大牽引力為60 000 N。生產(chǎn)清障鏟裝置所用的高強(qiáng)度鋼材屈服強(qiáng)度為610 MPa。

在進(jìn)行有限元仿真計(jì)算時(shí)，采取在鏟板上施加60 000 N水平推力的等效方式對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析?？紤]到清障鏟作業(yè)時(shí)可能出現(xiàn)的復(fù)雜工況，推力加載分為鏟板左半側(cè)區(qū)域加載、鏟板中間部位一半?yún)^(qū)域加載和整個(gè)鏟板區(qū)域加載3種工況。利用HyperMesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格處理和推力加載，使用OptiStruct求解器求解，得出整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)件的受力和變形情況如圖6～圖14所示，數(shù)據(jù)匯總見表1。

圖6 鏟板左側(cè)受力應(yīng)力云圖

圖7 鏟板左側(cè)受力位移云圖

圖8 鏟板左側(cè)受力工況油缸應(yīng)力

圖9 鏟板中部受力應(yīng)力云圖

圖10 鏟板中部受力位移云圖

圖11 鏟板中部受力工況油缸應(yīng)力

圖12 鏟板整板受力應(yīng)力云圖

圖13 鏟板整板受力位移云圖

圖14 鏟板整板受力工況油缸應(yīng)力云圖

表1 仿真分析數(shù)據(jù)匯總表

有限元仿真分析計(jì)算結(jié)果表明：前清障鏟的機(jī)械機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，沒有出現(xiàn)塑性變形；油缸最大受力為27 545 N，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB8108.2《起重用短環(huán)鏈用于葫蘆和其他起重設(shè)備的T(8)級(jí)校準(zhǔn)鏈條》，限位鎖鏈選用直徑為10 mm的標(biāo)準(zhǔn)鏈條，其工作強(qiáng)度極限為32 000 N，最小破斷力為126 000 N，滿足強(qiáng)度要求。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證試驗(yàn)采用頂樁的方式進(jìn)行，如圖15 所示，將清障鏟鏟板展開至接近貼地，然后將車輛行駛至鏟板左側(cè)、中部和兩側(cè)分別與地面上的鐵樁接觸，最后將車輛擋位掛入前進(jìn)擋1擋，踩踏油門踏板將車輛發(fā)動(dòng)機(jī)提高至最大轉(zhuǎn)速，以此模擬車輛最大牽引力。每種工況進(jìn)行3次試驗(yàn)，每次保持30 min，每次試驗(yàn)完進(jìn)行鏟板收回和展開動(dòng)作3次，以驗(yàn)證清障鏟結(jié)構(gòu)是否遭到破壞。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，清障鏟裝置動(dòng)作正常無異響，結(jié)構(gòu)件沒有塑性變形和開裂破壞的跡象，與有限元計(jì)算結(jié)果一致，滿足設(shè)計(jì)使用要求。

圖15 清障鏟頂樁試驗(yàn)

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的雙搖桿四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了鏟板的變角度轉(zhuǎn)動(dòng)的特殊運(yùn)動(dòng)軌跡，保證鏟板收回時(shí)不影響整車的越野通過性。鏟板和加強(qiáng)骨架等主要承力部件均采用高強(qiáng)度鋼材，油缸垂向布置以及限位鎖鏈和液壓平衡閥的設(shè)計(jì)使得整個(gè)裝置在進(jìn)行清障作業(yè)時(shí)靠機(jī)械受力，可靠性高。本文所述前清障鏟裝置已申請(qǐng)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枮?01710620555.X。