基于ANSYS輔助排障車托臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葛檳源，張杰

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械有限公司道路機(jī)械分公司，江蘇 徐州221004）

1 前言

道路排障車，又叫清障車、救援車，是近幾十年來制造的一款用于道路清障的專用汽車，這種車在機(jī)場(chǎng)、碼頭、汽車修理行業(yè)及高速公路等部門大量使用，是為了讓道路隨時(shí)保持暢通而專門設(shè)計(jì)的。道路排障車能將事故車輛以及違規(guī)?？康能囕v迅速拖走，在保持道路暢通方面具有非常重要的作用。

托舉裝置是排障車的工作裝置之一，負(fù)責(zé)托舉、托牽工況下的作業(yè)，可迅速將事故車輛運(yùn)離現(xiàn)場(chǎng)，保持路面通暢。在排障車的結(jié)構(gòu)形式中，有托吊一體式和托吊分離式兩種，這兩種的托臂結(jié)構(gòu)形式有很大的不同， 即使同一形式的排障車，托牽的形式也不盡相同。本文介紹一種三節(jié)臂式托臂的結(jié)構(gòu)，用于托吊分離式的排障車。

2 托舉裝置結(jié)構(gòu)介紹

2.1 結(jié)構(gòu)形式

本文的排障車的托舉機(jī)構(gòu)由一節(jié)可上下升降臂、三節(jié)可伸縮折疊臂和油缸等組成（見圖1）。整個(gè)托臂由油缸控制升降臂上下運(yùn)動(dòng)，三節(jié)伸縮折疊臂相對(duì)升降臂可折疊和伸縮，在各種工況下靈活調(diào)節(jié)，滿足使用者的需要。 升降臂通過升降油缸和副車架上的滑軌連接，垂直伸縮油缸用于連接升降臂和基本臂， 實(shí)現(xiàn)托臂的收起與放下。在需要托臂工作時(shí)，升降油缸伸長(zhǎng)、垂直伸縮缸收縮，然后各水平伸縮缸伸長(zhǎng)以使托臂進(jìn)入工作狀態(tài)。

圖1 托臂基本結(jié)構(gòu)

2.2 結(jié)構(gòu)分析

升降臂的主體部分由左右兩槽焊接而成，并單獨(dú)增加一塊加強(qiáng)板以確保升降臂的強(qiáng)度符合使用要求。 油缸支座并不直接與升降臂焊接，在升降臂和油缸連接處的位置增加了左右兩塊封板，能夠延長(zhǎng)使用壽命，減少變形。基本臂通過銷軸與升降臂連接（見圖2），基本臂為第一節(jié)可伸縮臂，由兩塊側(cè)板、上板和底板拼焊成箱體結(jié)構(gòu)，在底板和上板的側(cè)面焊有加強(qiáng)板?；颈凵显O(shè)有一處踏板， 供操作人員在托舉或托牽過程中踩踏。 二節(jié)臂的四周均有加強(qiáng)板，其左右兩側(cè)與上部使用一塊鋼板折彎而成，形成槽鋼結(jié)構(gòu)，再與底板焊接， 槽鋼的受力相較于三塊鋼板拼焊，具有更好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗變形能力，二節(jié)臂的大跨度結(jié)構(gòu)也符合槽鋼的使用條件。拼焊對(duì)于焊接的要求較高，焊縫必須均勻且熔深足夠，而槽鋼本身材質(zhì)均勻，能夠更好地承受荷載。 從成本上來講，槽鋼的工序與工時(shí)也比拼焊低。同樣的，三節(jié)臂也采用槽鋼加底板的模式，但是在其端部軸座連接處，采用加強(qiáng)板與增加焊道兩種方式進(jìn)行強(qiáng)度改進(jìn)，由于軸座是受力較大的關(guān)鍵部位，其加強(qiáng)板與槽鋼連接處增焊兩塊彎板用于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。由于槽鋼與軸座連接處尺寸變化，此處加強(qiáng)板采用折彎而成（見圖3），能夠在提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)保證托臂外形的美觀。

圖2 基本臂

圖3 槽鋼與軸座連接處加強(qiáng)板

加強(qiáng)板處受力情況見圖4、圖5，可以看出在有加強(qiáng)板之后，應(yīng)力減小的效果明顯。

圖4 無加強(qiáng)板應(yīng)力分析

圖5 有加強(qiáng)板應(yīng)力分析

托臂最外側(cè)的十字臂是主要受力部位（見圖1），其上下支承均采用厚板+加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，能夠在托舉和托牽工況中發(fā)揮材料性能，提高工作安全性和穩(wěn)定性。

3 應(yīng)力分析

設(shè)計(jì)完成之后， 運(yùn)用ANSYS 對(duì)各個(gè)臂的受力進(jìn)行網(wǎng)格劃分和應(yīng)力分析，得出應(yīng)力和變形最大的地方，再分析是否需要改進(jìn)結(jié)構(gòu)。 由于托臂為焊接結(jié)構(gòu)件， 故網(wǎng)格劃分時(shí) ‘connectionscontacts’選擇‘bonded’，默認(rèn)自由網(wǎng)格劃分。由于托臂采用Q460 材料焊接加工而成， 而ANSYS默認(rèn)材料為結(jié)構(gòu)鋼，此二者之間的材料屬性及參數(shù)存在一定的差異， 故先添加Q460 的材料屬性，見圖6。

圖6 添加Q460 材料屬性

再根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)， 將相應(yīng)的力加到受力點(diǎn)上，得出分析結(jié)果。為了便于計(jì)算，對(duì)受力狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化， 假設(shè)被拖車輛的質(zhì)量是均勻分布的，將車體重量簡(jiǎn)化到套在十字臂的托舉輔助工具上，而輔助工具相對(duì)十字臂中心是完全對(duì)稱的。這樣處理的托臂不會(huì)出現(xiàn)因車體自身重量不均而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。 計(jì)算過程不考慮液壓缸和液壓油的質(zhì)量。

十字臂和升降臂為受力關(guān)鍵部位，圖7 為分析十字臂時(shí)的網(wǎng)格劃分及分析結(jié)果圖，可以看出應(yīng)力的最大值為80 MPa， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力值，可以排除使用過程中的危險(xiǎn)因素。 變形最大處為拖桿與十字臂的連接處，其變形量也在可接受的范圍內(nèi)，由此可知十字臂的設(shè)計(jì)符合車輛的參數(shù)指標(biāo)及安全要求。

圖7 十字臂ANSYS 分析

圖8 為升降臂的網(wǎng)格劃分及分析結(jié)果圖，其中應(yīng)力集中在升降油缸鉸接點(diǎn)和升降臂與基本臂的連接處，應(yīng)力最大值為296 MPa，而Q460 的許用應(yīng)力為306 MPa （在安全系數(shù)取1.5 的情況下）， 因而升降臂的使用過程中材料處于安全使用范圍之內(nèi)。

圖8 升降臂ANSYS 分析

4 固有頻率分析

排障車在行駛過程中由于路面不平、小型障礙物等會(huì)引起車輛振動(dòng)， 在反復(fù)振動(dòng)的影響下，對(duì)其結(jié)構(gòu)件的損傷不容忽視?，F(xiàn)將托臂的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ANSYSworkbench 中進(jìn)行modal 分析，取其前三階固有頻率（見圖9）。

圖9 托臂結(jié)構(gòu)固有頻率分析結(jié)果

由于瀝青路面或水泥路面涉及到很多物理和力學(xué)參數(shù)， 加之汽車又是多自由度復(fù)雜系統(tǒng)，分析汽車行駛時(shí)的振動(dòng)是一個(gè)極其復(fù)雜的問題，目前針對(duì)該問題的研究多采用理論分析和數(shù)值模擬的方法。 經(jīng)查，汽車在行駛時(shí)的振動(dòng)頻率分布為：豎直方向0.2-8 Hz，水平方向1-2 Hz。 托臂結(jié)構(gòu)的固有頻率低于行駛過程中的振動(dòng)頻率，振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計(jì)。

排障車在實(shí)施托舉、托牽作業(yè)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行及路面不平會(huì)引起排障車及被拖故障車震動(dòng)，托臂受到附加動(dòng)載荷，使托舉油缸受到不斷變化的外力作用，而且沖擊力很大。 液壓缸在沖擊力作用下， 瞬時(shí)高壓值是靜態(tài)壓力的5～10倍。 引起托架振動(dòng)的主要振源是路面激勵(lì)，托架工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁，上、下的彎曲疲勞破壞是其主要的失效形式。托臂總成由一節(jié)可上下滑動(dòng)臂和三節(jié)可伸縮折疊臂組成。 其中，滑動(dòng)臂為幾何變斷面焊接結(jié)構(gòu)，三節(jié)可伸縮折疊臂均為矩形箱形焊接結(jié)構(gòu)，整個(gè)托臂由油缸通過滑動(dòng)臂上下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)行程650 mm，三節(jié)伸縮折疊臂相對(duì)滑動(dòng)臂可折疊和伸縮， 折疊角度為-5°～+91°，伸縮行程1640 mm，由油缸實(shí)現(xiàn)伸縮。 托臂均采用Q460 高強(qiáng)鋼制造，在應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)處理，（見圖10）。

圖10 Q460 對(duì)于基本臂加強(qiáng)板的布置之一

5 結(jié)論

國(guó)內(nèi)排障車在二類商用底盤上改裝而成，對(duì)底盤改動(dòng)較小。 連桿式提升結(jié)構(gòu)、副臂式提升機(jī)構(gòu)因?qū)Φ妆P的改動(dòng)相對(duì)較小，相應(yīng)的液壓部分易于布置和維護(hù)，應(yīng)用比較廣泛。

運(yùn)用ANSYS 軟件對(duì)托臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，托臂的結(jié)構(gòu)受力情況良好，應(yīng)力在可接受范圍之內(nèi)。

此種結(jié)構(gòu)形式已在三款排障車中成熟運(yùn)用，并在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)良好。