汽車塑料燃油箱耐火性能檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

孟令威，張自強(qiáng)，張邦成，王秋紅，彭其飛

(1.長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2.長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院工程訓(xùn)練中心，吉林 長春 130122；3.長春市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，吉林 長春 130012；4.中國第一汽車集團(tuán)有限公司蔚山工廠制造技術(shù)一部，吉林 長春 130012)

1 引 言

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，私家車輛逐步增多，由此在一定程度上也會增加交通事故的發(fā)生頻率。從一些撞車、翻車等惡性交通事故的調(diào)查中可以發(fā)現(xiàn)，最終引發(fā)火災(zāi)或爆炸等重大事故的最直接原因是燃油箱內(nèi)燃油大量外泄[1，2]。該問題不僅造成車輛、環(huán)境、資源的損失，對人身安全也產(chǎn)生巨大的威脅。燃油箱是關(guān)系汽車安全的一個重要部件[1]。針對上述問題，我國發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車燃油箱及其安裝的安全性能要求和試驗方法》(GB 18296-2019)[3]，對進(jìn)入中國及在國內(nèi)生產(chǎn)的燃油箱要進(jìn)行強(qiáng)制性檢驗。

目前，針對汽車塑料燃油箱耐火性能試驗的研究較少，試驗裝置也相對較少，現(xiàn)有的汽車塑料燃油箱耐火性能檢測試驗裝置存在結(jié)構(gòu)上不夠合理，自動化程度較低，操作繁瑣以及一定程度上的安全性問題，無法實現(xiàn)更安全、方便、高效的耐火性能檢測。因此，汽車塑料燃油箱的耐火性能檢驗成為了一個亟待解決的問題。

在汽車塑料燃油箱耐火性能檢測試驗中，油箱夾具的設(shè)計成為關(guān)鍵難題[4，5]，該夾具的設(shè)計需要完全模擬實際車輛燃油箱的安裝方式，并需要實現(xiàn)燃油箱上部壓點的精確定位。因此，針對油箱夾具上部按壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，并進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，在滿足燃油箱模擬實際車輛安裝要求的同時，盡量提高試驗裝置的自動化程度，降低試驗人員的勞動強(qiáng)度。

2 工作機(jī)理分析及整體方案設(shè)計

2.1 工作機(jī)理分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車燃油箱及其安裝的安全性能要求和試驗方法》(GB 18296-2019)，對汽車塑料燃油箱耐火性能檢測裝置的設(shè)計要求[6-8]進(jìn)行深入分析。

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

(1)耐火試驗盛液器要求：長和寬應(yīng)比試驗用燃油箱體的水平投影尺寸大200mm～500mm，側(cè)邊高出燃油液面不超過80mm，并在自由燃燒狀態(tài)下能夠盛下可供燃燒5min以上的燃油。

(2)耐火試驗隔棚要求：厚度為70mm，由耐火材料制成，在板上開有均勻分布、大小為15mm×30mm的長孔，長孔總面積相當(dāng)于平板面積的60%。

(3)燃油箱固定裝置要求：適用于容量為30L～95L的燃油箱檢測。

2.1.2 試驗流程要求

(1)預(yù)燃燒階段：將裝有可持續(xù)燃燒5min汽油的盛液器放在距離燃油箱3m外燃燒60s。

(2)直接接觸火焰階段：立即調(diào)整盛液器，使其液面與燃油箱底部的距離，和實車安裝時燃油箱距離路面的高度相同，其位置使火焰接觸燃油箱的底面及所有側(cè)面，然后將燃油箱暴露在火焰中持續(xù)60s。

(3)間接接觸火焰階段：立即用隔棚蓋住盛液器，并持續(xù)60s。

(4)試驗結(jié)束：立即將燃燒著的盛液器及隔棚一起撤離到燃油箱3m以外，如果燃油箱仍在著火，應(yīng)立即撲滅。

2.2 整體方案設(shè)計

根據(jù)汽車塑料燃油箱耐火性能試驗要求及工作機(jī)理分析，設(shè)計的試驗裝置整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由以下4個部分組成：(1)塑料燃油箱高度調(diào)節(jié)裝置；(2)塑料燃油箱固定裝置；(3)盛液器裝置；(4)隔棚裝置。

1.盛液器；2.燃油箱提升裝置；3.燃油箱夾具體；4.隔棚裝置；5.塑料燃油箱圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

3 耐火性能檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 塑料燃油箱固定裝置設(shè)計

3.1.1 燃油箱固定裝置設(shè)計要求

(1)燃油箱固定裝置需要實現(xiàn)容量為30L～95L的燃油箱檢測，燃油箱固定裝置以最大容量燃油箱的投影面為基準(zhǔn)。

(2)一套固定裝置實現(xiàn)不同的燃油箱裝夾及固定，需采用可隨意調(diào)節(jié)安裝及固定的模式。

3.1.2 燃油箱固定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)燃油箱下部支撐裝置：由鏈節(jié)式固定綁帶、固定支撐桿、緊固螺釘?shù)冉M成[9]，實現(xiàn)不同燃油箱下部的支撐。

(2)燃油箱上部按壓裝置：由可移動滑桿、十字扣滑塊、壓桿及油箱壓塊等組件構(gòu)成，以燃油箱下部綁帶為支撐結(jié)構(gòu)，采用螺旋壓桿和十字軌道相結(jié)合的模式，實現(xiàn)燃油箱上部任意點的按壓。

下部支撐裝置和上部按壓裝置相結(jié)合，通過設(shè)計的燃油箱固定裝置實現(xiàn)模擬燃油箱實際安裝在車輛上的狀態(tài)，為燃油箱耐火性能檢測提供堅實基礎(chǔ)。塑料燃油箱夾具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.下部支撐裝置；2.上部按壓裝置；3塑料燃油箱圖2 塑料燃油箱夾具體

提升架上的裝置連接固定油箱，解決了以往裝置只能固定單一型號燃油箱的問題。該結(jié)構(gòu)適用于容量范圍為95L以內(nèi)的多種型號油箱的固定，裝夾靈活方便，且可重復(fù)利用，大大降低了試驗裝置的制作成本。

3.2 燃油箱高度調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

塑料燃油箱進(jìn)行耐火性能檢測時，燃油箱安裝在固定裝置上，需要模擬實際安裝在車輛上的狀態(tài)，不僅要設(shè)計燃油箱模擬實車安裝的固定夾具，還要模擬燃油箱實車安裝時距離地面的高度。根據(jù)耐火性能試驗要求，需要將燃油箱距離盛液器的高度按照燃油箱安裝在汽車上之后距離地面的實際高度進(jìn)行調(diào)整，基于此要求對燃油箱高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

汽車塑料燃油箱高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)需要實現(xiàn)燃油箱固定夾具調(diào)整豎直方向上的高度升降。燃油箱固定夾具的長寬均達(dá)到了2m，為保證燃油箱水平穩(wěn)步升降，基于四點提升原理，設(shè)計了一拖四升降機(jī)構(gòu)，采用單一動力源雙向輸出、單一繞線輪雙向提升的方式實現(xiàn)燃油箱固定裝置上四點同時進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，如圖3所示。

1.高度調(diào)節(jié)支撐架；2.牽引電機(jī)；3.繞線輪；4.鋼線；5.燃油箱固定裝置圖3 塑料燃油箱高度調(diào)節(jié)裝置

3.3 盛液器裝置設(shè)計

盛液器是模擬地面燃油火焰燃燒的裝置，是承載汽油的容器和汽油燃燒的場所，其驅(qū)動裝置實現(xiàn)驅(qū)動盛液器進(jìn)入燃油箱下方、停止和退出燃油箱下方、回到初始位置的功能。盛液器結(jié)構(gòu)由多個子盛液器燃油盤、盛液器框架、盛液器行走輪、盛液器驅(qū)動裝置等組成(如圖4所示)。

1.盛液器驅(qū)動裝置；2.盛液盤；3.軌道；4.驅(qū)動鏈；5.驅(qū)動鏈固定端圖4 盛液器裝置

盛液器燃油盤由9個相同規(guī)格的子盛液器燃油盤組成，根據(jù)燃油箱在水平方向的投影尺寸和位置，調(diào)節(jié)盛液器的燃燒面積和位置，解決了以往采用的整體盛液器設(shè)計在一個大的盛液器內(nèi)用分隔物分割區(qū)域、導(dǎo)致調(diào)節(jié)面積不靈活、更換不方便和維護(hù)成本高的問題。該結(jié)構(gòu)可根據(jù)實際情況對指定的子盛液器燃油盤進(jìn)行維修更換，降低了維護(hù)成本。

3.4 耐火隔棚裝置設(shè)計

隔棚的主要功能是在盛液器和燃油箱之間起到一定阻燃作用，使燃油箱從暴露在盛液器下的直接燃燒變?yōu)橛凶韪粑锏拈g接燃燒。

燃油箱耐火性能檢測過程有明確的時間要求，為縮短耐火隔棚進(jìn)入盛液器上方的時間，耐火隔棚置于被檢測燃油箱附近，與盛液器分別置于被檢測燃油箱夾具體的兩側(cè)。耐火隔棚裝置如圖5所示。

1.隔棚框架；2.耐火磚；3.輪轂電機(jī)；4.軌道圖5 耐火隔棚裝置

耐火隔棚裝置主要分為兩部分：

(1)耐火隔棚框架及耐火磚：隔棚框架大小為1860mm×1800mm，厚度為40mm，采用方管搭建網(wǎng)格拉筋。耐火磚采用高鋁磚加工而成，并在磚上開大小為15mm×30mm的長孔，長孔面積相當(dāng)于整體磚面積的60%。隔棚由多塊耐火磚拼接成型，并預(yù)留耐火磚的膨脹空間，解決了整塊耐火磚不便于更換及耗材成本過高等問題。

(2)耐火隔棚驅(qū)動裝置：盛液器驅(qū)動裝置采用繩拉結(jié)構(gòu)，占據(jù)了隔棚驅(qū)動部分，因此隔棚驅(qū)動裝置采用四輪驅(qū)動模式，利用4個自驅(qū)動的輪轂電機(jī)帶動隔棚進(jìn)行運動，解決了兩個驅(qū)動裝置相互干涉的問題，并簡化了驅(qū)動裝置。

4 關(guān)鍵零部件有限元分析

對塑料燃油箱掛架等部分關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，確保整套裝備的穩(wěn)定運行。綜合考慮，材料選用不銹鋼。進(jìn)行有限元分析前，在材料庫中賦予燃油箱調(diào)整固定裝置的關(guān)鍵零件相應(yīng)的材料屬性，對零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輸入零件所受載荷和約束。經(jīng)有限元分析，得到零件的應(yīng)力云圖和變形云圖[10]。

4.1 燃油箱固定裝置靜力學(xué)分析

對燃油箱固定裝置進(jìn)行靜力學(xué)分析和計算，分析主要部分，忽略次要部分，如油箱壓塊、壓桿等部分只起到從上方壓住油箱使其不活動的作用，其自身受力很小，對裝置其它部分作用力和產(chǎn)生的變形可忽略不計。由于檢測燃油箱的最大容量為95L，以最大載荷為分析對象，把全部載荷都施加在燃油箱固定裝置時，燃油箱固定裝置靜力學(xué)分析示意圖如圖6(a)所示，其所受應(yīng)力云圖如圖6(b)所示，變形云圖見圖6(c)，滿足屈服強(qiáng)度要求。

(a)三維模型圖

4.2 長綁帶靜力學(xué)分析

長綁帶和短綁帶中間突出部分從下往上托起燃油箱，承受載荷要求為所容納燃油和燃油箱的全部重量，兩端通過螺桿和螺絲固定在可移動支撐桿的滑塊上。當(dāng)把全部載荷都施加在長綁帶上時，長綁帶靜力學(xué)分析示意圖如圖7(a)所示，其所受應(yīng)力云圖如圖7(b)所示，變形云圖見圖7(c)，滿足屈服強(qiáng)度要求。

(a)三維模型圖

4.3 可移動支撐桿靜力學(xué)分析

全部載荷通過套在支撐桿上的滑塊加載到4根可移動支撐桿上，每根可移動支撐桿兩端都通過十字扣滑塊連接到固定支撐桿上?？梢苿又螚U靜力學(xué)分析示意圖如圖8(a)所示，其所受應(yīng)力云圖如圖8(b)所示，變形云圖見圖8(c)，滿足屈服強(qiáng)度要求。

(a)三維模型圖

4.4 十字扣滑塊靜力學(xué)分析

十字扣滑塊連接可移動支撐桿和固定支撐桿，其靜力學(xué)分析示意圖如圖9(a)所示，所受應(yīng)力云圖如圖9(b)所示，變形云圖見圖9(c)，滿足屈服強(qiáng)度要求。

(a)三維模型

5 結(jié) 論

在分析汽車塑料燃油箱耐火性能試驗工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計固定油箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以靈活地裝夾30L～95L容量范圍內(nèi)的多種型號的汽車燃油箱。改進(jìn)的盛液器結(jié)構(gòu)，可調(diào)節(jié)燃燒面積和位置，改進(jìn)的隔棚裝置較好地解決了耐火材料易變形等問題。完成了汽車塑料燃油箱耐火性能試驗裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵零部件的有限元靜力學(xué)分析，設(shè)計的汽車塑料燃油箱強(qiáng)度滿足試驗要求，為以后汽車塑料燃油箱耐火性能試驗裝置的設(shè)計提供了參考。